TCC Alteamento de Barragem de Rejeitos
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Barragens são estruturas destinadas ao confinamento de líquidos e/ou sólidos, com objetivos diversos, sendo um destes a ...
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UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI CLOVIS FRANCISCO DE ARAÚJO SOLANGE SILVA DOMINGOS
CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE ENROCAMENTO PARA CONTENÇÃO DE RESÍDUOS DE MINERAÇÃO
SÃO PAULO 2011
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CLOVIS FRANCISCO DE ARAÚJO SOLANGE SILVA DOMINGOS
CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE ENROCAMENTO PARA CONTENÇÃO DE RESÍDUOS DE MINERAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi
Orientador: Prof. Dr. Wilson Shoji Iyomasa
SÃO PAULO 2011
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CLOVIS FRANCISCO DE ARAUJO SOLANGE SILVA DOMINGOS
CONSTRUÇÃO DE BARRAGENS DE ENROCAMENTO PARA CONTENÇÃO DE RESÍDUOS DE MINERAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi
Trabalho____________ em: ____ de_______________de 2011. _____________________ ________________________________ ______________________ ______________ ___ Prof. Dr. Wilson Shoji Iyomasa _____________________ ________________________________ ______________________ ______________ ___ Nome do professor professor da banca Comentários:________________________________________________________________ _____________________ ________________________________ ______________________ ______________________ ______________________ _____________________ __________ _____________________ ________________________________ ______________________ ______________________ ______________________ _____________________ __________ _____________________ ________________________________ ______________________ ______________________ ______________________ _____________________ __________
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos, primeiramente, a Deus e aos nossos pais pelo grande apoio e compreensão oferecidos durante todos os anos de estudos. Agradecemos, também, ao professor Wilson Shoji Iyomasa, diante da dedicação oferecida a ao conhecimento lecionado para a concretização deste trabalho.
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RESUMO Barragens são estruturas destinadas ao confinamento de líquidos e/ou sólidos, com objetivos diversos, sendo um destes a contenção de resíduos oriundos da mineração. Estas estruturas apresentam uma classificação quanto ao material utilizado para a sua construção, podendo ser: terra, enrocamento ou rejeito da própria mineração. A Barragem Palmital é uma estrutura destinada ao confinamento de resíduos gerados na industrialização da bauxita e seu processo construtivo foi desenvolvido em três fases. Durante os estudos de avaliação para o alteamento da terceira fase, verificaram-se as condições de segurança e as projeções necessárias para a realização da elevação de sua cota de coroamento. Além disso, foram levantadas as novas condições geológicas do local onde ela encontra-se implantada. Deste estudo definiram-se os procedimentos para a 3ª Fase de Alteamento da Barragem Palmital. Esta etapa foi composta por três principais melhorias: alteamento da estrutura principal pelo método à jusante, construção de uma barragem auxiliar em uma área de talvegue do reservatório e a implantação de um vertedouro emergencial na ombreira direita da estrutura. A ênfase deste trabalho destina-se à exposição dos procedimentos construtivos e os estudos geotécnicos aplicados nesta última fase de alteamento.
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ABSTRACT The dams are structures for the containment of liquids and / or solid, with different objectives, one of these applications is the containment of waste from mining. The dams present a classification of the material used for its construction, can be: earth, rockfill and tailings from mining itself. Barragem Palmital is a structure for the containment of waste generated in the processing of bauxite and its construction process was developed in three phases. During the assessments for the heightening of the third stage, there were security conditions and projections necessary to the accomplishment of raising of the crest of dam. In addition, we surveyed the new geological conditions of the site where the structure was deployed. This study defined the procedures for the 3rd Phase Dam Raising Palmital. This phase was composed of three improvements: heightening the main structure by the downstream method, the build a dam in an area of the thalweg of the reservoir and, the construction of an emergency spillway on the right flashboard of the structure. The emphasis of this work is the exposure of construction procedures and geotechnical studies performed on this last phase of heightening.
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LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Barragem do Torrão (Rio Tâmega). ........................................................................ 24 Figura 2 – Barragens de Concreta Gravidade........................................................................... 25 Figura 3 – Exemplo de barragem com contraforte . ................................................................. 26 Figura 4 – Barragem de Castelo de Bode – Estrutura em arco simples. .................................. 27 Figura 5 – a) Esquema Gráfico da Barragem de Hoover em arco simples, Estados Unidos. .. 28 b) Foto aérea da Barragem ...................................................................................... 28 Figura 6 – Barragem de Funil – Estrutura em arco duplo. ....................................................... 29 Figura 7 – Perfil da uma Barragem Homogênea. ..................................................................... 30 Figura 8 – Barragem de Rosana . ............................................................................................. 31 Figura 9 - Barragem da Usina Hidrelétrica de Campos Novos ............................................... 32 Figura 10 – Barragem de Contenção de Rejeitos São Francisco – Mirai / MG ....................... 34 Figura 11 – Seção Típica – Barragem de Enrocamento .......................................................... 35 Figura 12 - Perfil Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila ...................................... 35 Figura 13 – Perfil BEFC – Barragem de Enrocamento com Face de Concreto ...................... 37 Figura 14 – Método de Montante. ............................................................................................ 40 Figura 15 – Método de Jusante................................................................................................. 41 Figura 16 – Método de Linha Central. ..................................................................................... 42 Figura 17 – Rompimento da Barragem São Francisco, Mirai – MG. ...................................... 45 Figura 18 – Execução de um Key Trench. ............................................................................... 47 Figura 19 – Injeção de cimento em rocha................................................................................. 47 Figura 20 – Construção de “grout cap”. .................................... Erro! Indicador não definido. Figura 21 – Execução de Trincheira de Vedação Impermeável. .............................................. 49 Figura 22 – Execução de Trincheira Parcial............................................................................. 50 Figura 23 – Processo de Cortina Impermeabilizante................................................................ 50 Figura 24 – Trincheira “Slurry Trench”. ..................................................................................51 Figura 25 – Tapete Impermeabilizante. .................................................................................... 52 Figura 26 – Dreno de Pé. .......................................................................................................... 53 Figura 27 – Poços de Alívio. .................................................................................................... 53 Figura 28 – Bermas de Equilíbrio............................................................................................. 54 Figura 29 – Redução da Inclinação do Talude. ........................................................................ 54 Figura 30 – Construção por Etapas. ......................................................................................... 54
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Figura 31 – Drenagem por Estacas de Areia. ........................................................................... 55 Figura 32 – Cunha anticisalhante “shear key”.......................................................................... 55 Figura 33 – Critério de filtro de Terzaghi. ............................................................................... 56 Figura 34 - Faixa Granulométrica do Enrocamento definida por Neves.................................. 58 Figura 35 – Comportamento do Enrocamento Barragem de Shioro ........................................ 60 Figura 36 – Vista Geral – Ombreira Esquerda à Oeste e Ombreira Direita à Sudoeste. .......... 69 Figura 37 – Vista Geral da Barragem à Jusante. ...................................................................... 70 Figura 38 – Vista Geral da Barragem à Montante. ................................................................... 71 Figura 39 – Exemplo de Vertedouro em Perfil Creager. ......................................................... 73 Figura 40 – Esquema de um poço de inspeção......................................................................... 75 Figura 41 – Abertura dos poços de sondagem.......................................................................... 76 Figura 42 – Retirada de blocos indeformados. ......................................................................... 76 Figura 43 – Realização de sondagem a percussão.................................................................... 76 Figura 44 – Esquema de um furo de sondagem a percussão. ................................................... 77 Figura 45 – Molde do ensaio de Proctor. ................................................................................. 80 Figura 46 – Compactação no ensaio de Proctor Normal. ......................................................... 80 Figura 47 – Seções Típicas Esquematizadas . .......................................................................... 84 Figura 48 – Seção Típica do Projeto Inicial da Barragem ....................................................... 85 Figura 49 – Seção Esquemática da opção adotada durante a execução do alteamento. ........... 86 Figura 50 – Colocação e fixação da Manta Geotêxtil sobre o perfil do filtro .......................... 89 Figura 51 – Fixação da manta superior com pedras e a inferior virada sobre o material granular do filtro de transição........................................................................................... 89 Figura 52 – Processo de Alteamento da Barragem Principal ................................................... 92 Figura 53 – Execução da Barragem Auxiliar. .......................................................................... 93 Figura 54 – Detalhe da instalação do Piezômetro Casagrande................................................. 97 Figura 55 – Detalhe da caixa de proteção................................................................................. 98
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LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Principais BEFC’s Construídas no Brasil ........................................................ 38 Tabela 2 – Exemplo de Classificação dos Enrocamentos .............................................. 59 Tabela 3 – Profundidade dos Poços de Inspeção............................................................ 75 Tabela 4 – Profundidades das sondagens a percussão. ................................................ 78 Tabela 5 – Resultados das Sondagens a Percussão. ..................................................... 78 Tabela 6 – Profundidade das sondagens complementares. .......................................... 79 Tabela 7 – Resultados das sondagens a percussão complementares. ....................... 79
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABCP
Associação Brasileira de Cimento Portland.
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas.
BEFC
Barragem de Enrocamento com Face de Concreto.
CBA
Companhia Brasileira de Alumínio.
CNPGB
Comissão Nacional Portuguesa das Grandes Barragens.
CPPE
Companhia Portuguesa de Produção de Energia.
IPT
Instituto de Pesquisas Tecnológicas.
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LISTA DE SÍMBOLOS
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SUMÁRIO 1. I ntrodução _____________________________________________________________ 15
1.1. Objetivos
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1.1.1. Objetivos Gerais
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1.1.2. Objetivos Específicos
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1.2. Justificativas
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1.3. Abrangência
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1.4. Estrutura do Trabalho
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2. T ipos de Bar rageNS ______________________________________________________ 21
2.1. Caracterização das barragens 2.1.1. Barragens rígidas do tipo gravidade
22 23
2.1.1.1. Barragens de concreto-gravidade
24
2.1.1.2. Barragens de gravidade aliviadas e com contraforte
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2.1.2. Barragens rígidas do tipo arco simples e de dupla curvatura
27
2.1.3. Barragens não rígidas ou de aterro
29
2.1.3.1. Barragem de terra homogênea
29
2.1.3.2. Barragem de terra-enrocamento
31
2.2. Barragem para contenção de resíduos
32
2.2.1. Barragens de terra
33
2.2.2. Barragens de enrocamento
34
2.2.2.1. Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila
35
2.2.2.2. Barragem de Enrocamento com Face de Concreto – BEFC.
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2.2.3. Barragens de resíduos
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2.2.3.1. Método de montante
39
2.2.3.2. Método de jusante
40
2.2.3.3. Método de linha central
41
2.3. Métodos construtivos – Barragens de enrocamento
42
2.3.1. Caracterização do terreno
43
2.3.2. Escolha da Fundação
45
2.3.2.1. Fundações Rochosas
46
2.3.2.2. Fundações em solos permeáveis
48
2.3.2.3. Fundações em solos impermeáveis – solos saturados
54
2.3.2.4. Fundações em solos impermeáveis – solos não saturados
55
2.3.3. Processos de Drenagem
56
2.3.4. Tipos de enrocamento
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2.3.5. Processo de compactação
60
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2.4. Instrumentação geotécnica
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3. mé todo de trabalho ______________________________________________________ 63
3.1. Definição do tema e escolha do orientador
63
3.2. Entrevista efetivada com profissional da área
63
3.3. Estabelecimento do Cronograma e Desenvolvimento da Revisão Bibliográfica.
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3.4. Elaboração do estudo de caso e Análise dos Resultados Obtidos
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4. M AT ERI AI S E F ERRA M EN TA S __________________________________________ 66 5. estudo do alteamento da Barragem Pal mi tal.__________________________________ 67
5.1. Descrição da Barragem
68
5.1.1. Barragem Principal e Auxiliar
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5.1.2. Vertedouro e Canais de Cintura – (Estruturas de Drenagem).
72
5.1.3. Galeria de Drenagem
73
5.2. Estudos Geotécnicos
74
5.2.1. Investigações de Campo
75
5.2.2. Investigações em laboratório
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5.2.3. Parâmetros geotécnicos
81
5.3. Descrição do Projeto
82
5.2.1. Maciço da Barragem
85
5.2.2. Vertedouro
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5.4. Métodos Construtivos
87
5.4.3. Remoção de filtros de transição
87
5.4.4. Instalação dos filtros de transição
88
5.4.5. Instalação de manta geotêxtil
88
5.4.6. Execução do vertedouro
89
5.4.7. Alteamento da Barragem Principal
90
5.4.9. Execução da Barragem Auxiliar.
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5.5. Controle Tecnológico
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5.6. Monitoramento Geotécnico
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5.6.1. Instalação de piezômetros Casagrande
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6.5.2. Reinstalação dos marcos de observação
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6. Análise DOS RE SUL TA DOS ______________________________________________ 99
6.1. Análises Construtivas
100
6.2. Controle Tecnológico
102
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6.3. Leitura dos Instrumentos Geotécnicos 6.3.1. Parâmetros Geotécnicos
103 104
7. Conclusões ____________________________________________________________ 106 8. Recomendações ________________________________________________________ 108 Referênci as______________________________________________________________ 109
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1. INTRODUÇÃO A construção de barragens está ligada diretamente à evolução da humanidade, este tipo de estrutura surgiu diante da necessidade do confinamento de água devido aos grandes períodos de escassez durante a estiagem. Após a Primeira Revolução Industrial a demanda por água aumentou significativamente na população urbana, gerando como consequência, a necessidade em ampliar o número de reservatórios. Este fato gerou a construção de uma maior quantidade de barragens e possibilitou o aperfeiçoamento das técnicas construtivas voltadas para este processo. As características de uma barragem e suas particularidades são definidas a partir da finalidade a qual esta foi projetada. Existem por exemplo barragens com a simples finalidade de armazenamento de água para a navegação e irrigação; retenção de águas pluviais para controle de cheias; geração de energia e contenção de resíduos da produção industrial, ou ainda, rejeitos da mineração. A construção de sistemas de contenção de resíduos teve grande impulso após o século XV, motivada principalmente pela evolução dos processos industriais de mineração. Este fato aumentou a produção de rejeitos, os quais não podem ser lançados diretamente nos cursos d’água, sendo os mesmos armazenados a longas distâncias.
No século XIX, com as evoluções tecnológicas, a produção de resíduos de mineração aumentou de forma significativa, mas as técnicas para conter o descarte de rejeitos ainda não supriam estes avanços. Sendo assim, estes materiais, que não recebiam o tratamento adequado, continuavam sendo lançados nos rios, afetando os cursos d’água e o solo, além de exterminar a fauna e a flora. Como decorrência da constante contaminação e intensificação da produção industrial, estes impactos ambientais vieram a interferir na produção agrícola e na qualidade da vida da população. Em consequência deste fato, surgiu a necessidade de melhorias construtivas no que condiz à contenção de rejeitos industriais e métodos para impedir a infiltração de líquidos
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tóxicos nos solos. Um método paliativo foi a construção de diques posicionados ao longo de curso d’água limitando sua ação à
época das inundações.
Com as revoluções tecnológicas dos equipamentos houve a possibilidade de investir em melhores técnicas e buscar a resolução em longo prazo deste problema. É neste cenário que surge a construção de barragens de contenção. As barragens de enrocamento 1 tiveram suas primeiras construções em meados do século XX. Com a possibilidade da manipulação de blocos de rochas surgiu à viabilidade da realização desse tipo de construção. No principio, estas barragens caracterizavam-se como métodos simples de empilhamento, que careciam de processo de compactação adequado e limitavam a dimensão do agregado. Ainda nesse século com o surgimento de novas ferramentas de compactação houve o aprimoramento da técnica construtiva no lançamento do agregado e a redução de vazios entre os mesmos, aumentando a densidade do enrocamento compactado. No Brasil, o maior desenvolvimento destas obras de contenção ocorreu por volta das décadas de 60 e 70, principalmente em consequência do grande número de construções simultâneas, envolvendo técnicas diversificadas pela necessidade de agilidade no cronograma construtivo. Em áreas com material rochoso à disposição em grande quantidade, o que permite reduzir o custo construtivo deste tipo de barragens de contenção de rejeitos de mineração.
1.1. Objetivos Este trabalho tem por objetivo principal o desenvolvimento de estudo e pesquisa de métodos construtivos para a edificação de barragem de enrocamento 2. 1
Enrocamento: Base de blocos de rocha natural ou artificial, assentado para sustentar uma construção e protegê-la contra o embate das águas, (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011). 2
Barragem de Enrocamento: Barragem de material granular na qual mais de 50% do volume total é de enrocamento compactado ou lançado, com impermeabilização adequada (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980).
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1.1.1. Objetivos Gerais Este trabalho tem como objetivo geral, compreender e apresentar, as principais características que compõem a estrutura de uma barragem em suas respectivas classificações, assim como, expor os principais métodos empregados na construção destas estruturas, oferecendo especial atenção às barragens de contenção dos resíduos da mineração. Outro objetivo geral da pesquisa está em avaliar os principais elementos destas estruturas, quanto à sua relevância ao comportamento e integridade do maciço, e também, como são procedidos os métodos de controle geotécnicos das mesmas.
1.1.2. Objetivos Específicos Quanto ao objetivo específico da presente pesquisa, o trabalho visa expor as principais qualificações técnicas da estrutura, a sequência executiva e o monitoramento geotécnico, necessários durante as fases de avaliação do projeto e o momento de execução do alteamento de uma barragem de enrocamento. Para atender aos objetivos propostos nesta pesquisa, decidiu-se estudar os procedimentos construtivos adotados para o alteamento da Barragem Palmital – 3ª Fase. Esta barragem encontra-se situada no Município de Alumínio, Estado de São Paulo.
1.2. Justificativas Embora o tema proposto não se trate de inovação técnica desenvolvida no que condiz às metodologias executivas desenvolvidas para contenção de barragens, justifica-se a seleção do tema pelo fato da construção desta barragem ter como finalidade a contenção de resíduos sólidos oriundos da fabricação de alumínio, e principalmente, pelo desafio técnico do método adotado no alteamento. A escolha da Barragem Palmital enfocou-se no fato desta estrutura se destacar de outras barragens tradicionais no que se refere ao tipo de material a ser contido e também a sua
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preocupação em particular em não permitir o extravasamento, em qualquer hipótese, (por se tratar da contenção de resíduos), vindo a provocar impactos negativos no meio ambiente. Do ponto de vista estrutural, a Barragem Palmital possui um aspecto particular que a destaca na Indústria da construção da engenharia civil. O projeto de alteamento foi desenvolvido para ser construído por cima da estrutura de contenção já existente, ou seja, uma barragem sobre outra barragem. Este se tornou um fator extremamente relevante e significativo para o estudo de avaliação de segurança e eficiência do sistema. Por fim, do ponto de vista social deste empreendimento, que por estar construído em uma região de forte crescimento urbano e industrial, a sua área de influência tornou-se circundada por este meio. Portanto houve a necessidade em desenvolver projetos com medidas de segurança ainda maiores, que buscassem não apenas a integridade da construção, mas também que priorizasse a vida humana. Ainda que a Barragem Palmital seja um projeto já executado, o seu monitoramento para avaliação de segurança e eficiência são constantes e rigorosos, obrigando a tomada de medidas para sustentar estes parâmetros sempre adequados por quanto da existência deste empreendimento.
1.3. Abrangência Este trabalho, de uma maneira geral, abrange os métodos construtivos desenvolvidos para a construção do enroncamento no processo de alteamento 3 da Barragem Palmital, atendo-se efetivamente a descrição dos mesmos em seus processos normativos e, porventura ensaios e estudos geotécnicos relativos à viabilidade, e pesquisas desenvolvidas nas áreas do empreendimento e de exploração. No que condiz aos métodos construtivos, apresentam-se os procedimentos que foram necessários para anteceder à execução de barragem de enrocamento como as atividades de terraplenagem, serviços complementares e construção de canal para absorção pluvial.
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Alteamento: Ação ou efeito de altear, tornar mais alto, (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011)
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Sobre métodos construtivos de barragens de enrocamento, o assunto é abordado de forma ampla e detalhado como principal foco de estudo. O tema descrito específica os materiais utilizados, suas origens e os ensaios tecnológicos desenvolvidos para garantir a integridade da estrutura. Ainda que sejam de grande relevância para a construção de barragens, os métodos para dimensionamento e contenção hidráulicos não serão abordados neste trabalho, bem como os processos desenvolvidos para a elaboração destes cálculos. Também não se avalia neste estudo os critérios geotécnicos relativos ao monitoramento da barragem, seus parâmetros e estudos de estabilidade. Não são apresentados os estudos dos impactos ambientais gerados durante a construção do alteamento e por consequência da construção de uma barragem com as características antes citadas, embora sejam frequentemente mencionados os problemas ambientais, que nortearam a tomada de decisão. O foco da pesquisa é a sequência executiva do alteamento da barragem de enrocamento, abrangendo o monitoramento geotécnico durante a fase construtiva para atender aos requisitos técnicos construtivos.
1.4. Estrutura do Trabalho A estruturação deste trabalho inicia-se, em sua primeira abordagem, com relato de diferentes tipos de barragens construídas na engenharia e como as destinações definem as características do barramento. Em sequência este assunto é abordado de forma mais especifica, tratando das peculiaridades dos principais tipos de barragens para contenção de resíduos oriundos da indústria. Após a caracterização deste elemento, são abordados os métodos construtivos de barragens de enrocamento. Além dos métodos tecnológicos de instrumentação empregados para o estudo da estabilidade da estrutura da barragem.
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No tópico consecutivo é apresentado o método de trabalho da presente pesquisa que consiste no levantamento da bibliografia utilizada, assim como a organização do material bibliográfico. O capítulo 4 envolve a descrição das visitas técnicas e entrevistas realizadas com profissionais envolvidos no processo de execução da barragem em análise. O estudo de caso desenvolvido para este trabalho (referente a barragens de enrocamento para contenção de resíduos da indústria de mineração) é apresentado de forma abrangente no capítulo 5, onde a singularidade do assunto se mostra, apresentando a localização, características e métodos específicos da Barragem Palmital. A demonstração dos resultados obtidos durante o processo de pesquisas, estudos bibliográficos, entrevistas e análises técnicas, são consequências do estudo de caso e são apresentados no capítulo 6. Após as apresentações referidas, são expostas as conclusões obtidas do estudo desenvolvido, este assunto está abordado no capítulo 7. Ao término do estudo são apresentadas recomendações fundamentadas no material desenvolvido e pesquisas realizadas para elaboração deste trabalho sendo este o último capítulo deste trabalho.
2. TIPOS DE BARRAGENS Segundo dicionário da língua portuguesa; Ed. Moderna; 1992, a definição de barragem é ação de barrar; e strutura para obstruir transversalmente um curso d’água, geralmente construída em vales; represas, (Souza, 2009). Não existe data específica da construção das primeiras barragens na história da humanidade, o que se tem conhecimento é de que o seu principal foco construtivo era a contenção de água para o consumo humano e irrigação na agricultura.
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Diante do desenvolvimento tecnológico do século XIX, houve o direcionamento da expansão do mercado de exploração de minério pelas indústrias. No processo de beneficiamento do minério, existe a geração de rejeitos. Duarte (2008, pág. 14. 130) aplica como definição de rejeitos: “Os materiais resultantes de processos de beneficiamento ou associados que visa extrair os elementos de interesse econômico ”. Em sua maior frequência, os processos de beneficiamento utilizam a água para este fim, gerando o rejeito líquido em suas propriedades físicas e necessitando de um sistema de contenção impermeável e de reserva, com o intuito de acumular material para não agressão do meio ambiente. Como opção de reservatório 4, podem ser construídas barragens para contenção destes resíduos, sendo primeiramente avaliadas as condições geotécnicas do local de disposição e o tipo de descarte utilizado. Além dos impactos ambientais gerados pela construção e da disponibilidade de materiais na região que possibilitam uma obra com tais características.
2.1. Caracterização das barragens Segundo Souza (2009), uma barragem pode ser classificada tanto quanto a sua destinação, quanto a sua geometria.
Quanto ao seu destino de uso, classificação por Souza, 2009:
Barragens de Derivação – Objetivam o desvio das águas para canais ou adutoras;
Barragens de Armazenamento – Objetivam armazenar águas excedentes provenientes das chuvas;
Barragens de Atenuação de Cheias – Construídas com o objetivo de reter provisoriamente grandes volumes de água que, por ventura, iriam inundar terras e propriedades à jusante da barragem;
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Reservatório: Espaço volumétrico delimitado pela barragem e margens, e destinado à deposição de rejeitos (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980).
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Contenção de Rejeitos - Situadas em zonas de mineração recebem os rejeitos rejeit os sólidos e líquidos das minas e evita a contaminação dos rios a jusante.
Quanto a sua Geometria Segundo Gomes (2005), do ponto de vista geométrico, uma barragem pode ser classificada: rígida e não rígida. As barragens rígidas se subdividem, podendo ser do tipo gravidade ou do tipo arco. Já as barragens não rígidas, ou são de terra, ou são de enrocamento. Ainda as barragens podem ser classificadas em barragens de concreto (rígidas) e barragens de aterro (não rígidas). O objetivo inicial de caracterização das barragens, apresentado neste capítulo, é de apresentar uma análise descritiva objetiva a respeito dos diferentes tipos de estruturas contidas na classificação citada. Para isto, este subitem foi exposto em sequência à distinção das estruturas, segundo Gomes (2005):
Barragens rígidas do tipo gravidade: Estrutura de contenção que se classifica como: Barragem de concreto gravidade e Barragem de gravidade aliviada com contraforte c ontraforte 5;
Barragens rígidas do tipo arco simples e de dupla curvatura;
Barragens não rígidas ou de aterro: Estruturas de contenção em terra que se classificam em duas: Barragem de terra homogênea e Barragem de terra-enrocamento.
2.1.1. Barragens rígidas do tipo gravidade Barragens de gravidade são estruturas de concreto sólidas que mantém sua estabilidade contra cargas de projeto devido à sua forma geométrica, à sua massa e à resistência do concreto, (U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 1995 apud
5
BASSO, 2007 ).
Contraforte: Pilar que reforça um muro ou parede; gigante. (O contraforte pode ser aplicado diretamente contra o elemento a sustentar [muro ou parede], ou receber seu empuxo por meio de arcobotantes), (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011).
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A Figura 1 mostra um exemplo de barragem rígida do tipo gravidade , é a Barragem de Torrão, localizada no Rio Tâmega em Portugal. O que pode ser observado de característica essencial neste tipo de barragem é o vale estreito e o arqueamento relativamente relativamente curto do eixo da margem.
Figura 1 – Barragem Barragem do Torrão (Rio Tâmega) – Observar Observar o vale estreito. Fonte: CNPGB, (2011)
Esse tipo de barragem possui uma metodologia simples de projeto e construção, executada em geral em concreto convencional ou concreto compactado com rolo (CCR), possui elevado grau de segurança para qualquer altura da barragem e ainda para qualquer condição climática existente na região de execução. Essa estrutura monolítica é dimensionada para assegurar os requisitos de segurança global.
2.1.1.1. Barragens de concreto-gravidade concreto-gravidade As barragens de concreto possuem sua estabilidade garantida pelo seu peso e pela largura de sua base, adequados à resistência da fundação, como pode ser observado em seu perfil esquematizado na Figura 2. Segundo Basso (2007), O esforço mais importante existente nesse tipo de barragem é a subpressão. subpressão. A subpressão é a pressão exercida de baixo para cima pela água que se incute por fissuras e poros existentes da rocha no contato da base da barragem com a fundação.
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mureta eventual
1,00 0,30
NA máx.
0,50 1,00
NA normal
lâmina vertente
0,10 H
0,70
1 Hv
1
superfície do terreno natural
b1=0,10H b2=0,70H
b2
b1
B nota: dimensões em metro
Figura 2 – Barragens Barragens de Concreta Gravidade – Notar Notar a relação entre a largura da fundação e a altura da barragem. Fonte: Eletrobrás (2000).
A subpressão pode ser reduzida por meio de furos de drenagem, a partir de uma galeria no interior da barragem e injeção de calda de cimento com o objetivo de reduzir a vazão por baixo da mesma. mesma. Os mecanismos de ruptura desse tipo de barragem são o tombamento e o deslizamento. A ruptura por tombamento não acontece com frequência, essa ruptura desenvolve aumento dos esforços de tração e subpressão a montante 6 e aumento da compressão à jusante 7, desencadeando desencadeando na sequência a ruptura por tombamento.
6
Montante: em hidráulica, é todo ponto referencial ou seção de rio que se situa antes deste ponto referencial qualquer de um curso de água, exemplo: Montante de uma barragem localiza-se antes da estrutura em si, (Wikipédia, 2011). 7
Jusante: em hidráulica, é todo ponto referencial ou seção de rio compreendido entre o observador e a foz de ou seja, rio-abaixo em relação a este observador (Wikipédia, 2011). um curso d’água — ou
26
Já a ruptura por deslizamento é o deslocamento para jusante ao longo de plano de baixa resistência ao cisalhamento. Este plano pode ser a base da barragem ou qualquer ponto de instabilidade da fundação.
2.1.1.2. Barragens de gravidade aliviadas e com contraforte Para Basso (2007), neste tipo de barragem (Figura 3), a subpressão é reduzida e limitada à cabeça dos blocos devido à existência de uma menor área de base, o peso da água sobre o paramento8 inclinado de montante elimina praticamente o tombamento. Mas em contrapartida são mais proeminentes os problemas de deslizamento devido ao seu menor peso.
Figura 3 – Exemplo de barragem com contraforte – Observe os arcos entre os contrafortes e a inclinação da barragem em direção ao reservatório. Fonte: Eletrobrás (2000).
São mais esbeltas, sendo mais deformáveis e sensíveis às variações térmicas. Os esforços no concreto são mais elevados, entretanto mais uniformes. Em comparação com as barragens concreto-gravidade, esse tipo economiza em torno de 25 a 40% de concreto, dependendo da altura, porém exige fundações de melhor qualidade tecnológica. Nesse tipo de fundação, devido à menor área de base, há um aumento da compressão nas fundações, o que pode exigir tratamento especial com tirantes e injeção de calda de cimento. 8
Paramento: as superfícies mais ou menos verticais que limitam o corpo da barragem: o paramento de montante, em contato com a água, e o paramento de jusante (Souza, 2009).
27
2.1.2. Barragens rígidas do tipo arco simples e de dupla curvatura Nas barragens em arco simples, a estabilidade é garantida pela forma curva, este fato faz com que as pressões da água em grande parte estejam distribuídas nas ombreiras 9. Devido à forma o concreto trabalha exclusivamente a compressão, resultando um nível alto de tensões. A Figura 4 apresenta a barragem de Castelo de Bode, Portugal como exemplo de uma barragem executada em arco simples. Esta barragem é do tipo gravidade com curvatura em foi construída pela CPPE – Companhia Portuguesa de Produção de Energia em 1945 a 1951. Esse tipo de barragem é também muito afetado por influências térmicas, tanto em termos de deslocamento quanto nos esforços no concreto. Para Basso (2007), só é possível construir barragens em arco engastadas em vales fechados, como pode ser observado na Figura 5, onde a relação entre a largura da crista 10 e a altura da barragem é inferior a 2,5.
Figura 4 – Barragem de Castelo de Bode – Estrutura em arco simples. Fonte: CNPGB, (2011) 9
Ombreira: Terreno natural situado nas encostas do vale, que funciona como apoio lateral do maciço da barragem ou de outras estruturas auxiliares (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980). 10
Crista: Crista da barragem ou coroamento: parte superior de uma barragem ou dique vertedor, que a água deve atingir antes de passar sobre a estrutura (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011).
28
a)
b)
Figura 5 – a) Esquema Gráfico da Barragem de Hoover em arco simples, Estados Unidos. b) Foto aérea da Barragem – Observar a posição em vale estreito. Fonte: Criativa Engenharia Ltda. (2011).
A dupla curvatura, vertical e horizontal, aliada à grande altura confere à estrutura uma maior ocupação territorial. A curvatura horizontal permite a transmissão da força de impulsão da água à montante para as margens da estrutura (WIKIPÉDIA, 2011). Um exemplo clássico de barragem em dupla curvatura construída no Brasil é a barragem de funil pertencente a Furnas Centrais Elétricas, ilustrada na Figura 6, sua concepção é de arco gravidade (ABCP, 2002 apud AZEVEDO, 2005).
29
Figura 6 – Barragem de Funil – Estrutura em arco duplo. Fonte: Azevedo (2005).
2.1.3. Barragens não rígidas ou de aterro Se o concreto é um material de elevada resistência, que permite construir obras esbeltas e resistentes ao fluxo de água, os solos que constituem as barragens não rígidas ou de aterro exigem taludes abatidos, para evitar escorregamentos internos, e proteções contra erosão. Em contrapartida, como os taludes são pouco inclinados e as bases largas, transmitem pressões baixas e podem ser construídas sobre fundações e solo ou rocha decomposta.
2.1.3.1. Barragem de terra homogênea Esse tipo de barragem é a alternativa mais usual, devido às condições topográficas, de vales muito abertos e da disponibilidade de material terroso no país, como ilustra a Figura 7. Podem-se construir barragens de terra apoiadas em solos com maiores índices de deformação, pois esse tipo de barragem admite fundações mais recalcáveis.
30
Montante
Jusante
Figura 7 – Perfil da uma Barragem Homogênea – Observar a inclinação dos taludes. Fonte: Eletrobrás (2000).
As barragens de terra homogênea são construídas com um mesmo tipo de solo, em geral argiloso e pouco permeável. Um dos problemas que mais preocupam na escolha desse tipo de barragem é o piping ou erosão regressiva tubular, no próprio corpo da barragem ou nas suas fundações. E o overtopping 11 ou galgamento.
A avaliação de Basso (2007) conclui que o galgamento ou overtopping é a causa mais ocorrente de problemas, uma vez que as barragens de aterro não resistem à passagem de água sobre as mesmas. Essa vulnerabilidade exige que as obras sejam projetadas com grande segurança no que se refere às estruturas de desvio, descarregadores de cheias e altura de crista sobre o nível do reservatório (borda livre 12). O piping , 13fenômeno que causa o carreamento de partículas de solo pela água em fluxo, numa progressão de jusante a montante, o que origina o termo “regressão” para designá -lo.
Com o passar do tempo, forma-se um tubo de erosão, que pode evoluir para cavidades relativamente grandes no corpo da barragem, levando-a ao colapso.
11
Overtopping (galgamento): A definição de Quintela (2011) define que este fenômeno ocorre quando o conteúdo do reservatório da barragem transborda, ultrapassando o coroamento da barragem podendo a provocar o colapso da estrutura em alguns casos. 12
Borda Livre: distância vertical entre a crista da barragem e o nível máximo de água do reservatório determinado pela cheia de projeto aplicável (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980). 13
Piping (entubamento): Processo progressivo de erosão interna de maciços terrosos por carreamento de partículas ou solubilização de material, resultando na formação de condutos subterrâneos (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980).
31
A barragem da Usina Hidrelétrica de Rosana é apresentada na Figura 8 como um exemplo de barragem homogênea. É uma barragem de 2.308 m de comprimento, construída com a finalidade de geração de energia elétrica (AZEVEDO, 2005).
Figura 8 – Barragem de Rosana Observar em 1º plano a barragem de concreto e ao fundo a barragem de terra . Fonte: Azevedo (2005)
2.1.3.2. Barragem de terra-enrocamento Esse tipo de barragem é o mais estável dentre as barragens não rígidas ou de aterro, não havendo nenhuma ocorrência de ruptura envolvendo seus taludes. O material do enrocamento apresenta elevado grau de atrito, garantindo a estabilidade dos taludes de montante e jusante. Um núcleo argiloso imprime a estanqueidade 14 à barragem, permitindo o represamento da água. A Figura 9 apresenta um exemplo deste tipo de estrutura, é a Barragem de Campos Novos, criada para geração de energia elétrica. A barragem fica sobre o rio Canoas entre as cidades de Campos Novos e Celso Ramos. Possui uma altura de 190 metros de altura. 14
Estanqueidade: Significa estanque, hermético, sem vazamento, em inglês no-leak, ou seja, é a definição dada a um produto que está isento de furos, trincas ou porosidades que possam deixar sair ou entrar parte de seu conteúdo, (WIKIPÉDIA, 2011).
32
Figura 9 - Barragem da Usina Hidrelétrica de Campos Novos – Observar a altura da barragem. Fonte: Eletrobrás (2000).
O núcleo das barragens de terra-enrocamento pode apresentar posicionamento ao centro do maciço15 ou deslocado à montante. Nas fundações desse tipo de barragem, a percolação 16 é pequena e concentra-se sob a base do núcleo, quando comparada com a barragem de terra homogênea, onde a percolação é maior. Para evitar fugas d’água, há a necessidade de um maciço de fundação mais estanque.
2.2. Barragem para contenção de resíduos A Norma Brasileira NBR 13028 (ABNT, 2000), define como barragem qualquer estrutura que forme uma parede de contenção para rejeitos, para sedimentos e/ou para formação de reservatório de água (OLIVEIRA, 2010). A consequência desta definição abrange uma gama ilimitada de estruturas e suas diversas características que associadas ou individualmente podem ser qualificadas como uma barragem de contenção. 15
Maciço: Que é ou parece ser compacto, espesso (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011) 16 Percolação: fluxo ou movimento intersticial de líquido através da barragem, fundação, ombreiras ou reservatório de rejeitos (COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, 1980).
33
Neste subitem abordam-se as diversas características estruturais que diferenciam as barragens para contenção de resíduos, abordando os materiais de construção utilizados e suas disposições de projeto. Ainda citando Oliveira (2010), cabe aqui a importância de diferenciar as condições de uma área destinada para acumulação de rejeitos e uma estrutura projetada para confinar os rejeitos, sendo a segunda definição destinada a uma barragem.
2.2.1. Barragens de terra Uma definição de Cruz (1996) refere-se como barragens de terra como estruturas que possuem seu sistema de contenção constituído de solo, sendo este, obtido em jazidas 17 próximas e compactado em camadas e espessuras pré-determinadas. Para o caso de barragens de contenção de resíduos, existem ainda, barragens de terra onde seu núcleo pode ser constituído do resíduo da própria mineração, devido à grande disponibilidade do material. É importante salientar que são realizados testes laboratoriais como premissa para avaliação das condições granulométricas e resistência física destes materiais, para sua efetiva utilização e compactação. Para Fernandes (2007), como avaliação do meio mais adequado a construção deste tipo de barragem, está ligada diretamente à disponibilidade de jazidas para a obtenção do solo com características cabíveis de projeto, em quantidade suficiente e economicamente viável na região da implantação da barragem. Em relação à topografia local, regiões pouco onduladas se caracterizam como principal opção para este tipo de estrutura.
17
Jazidas: Jazida mineral é uma concentração local ou massa individualizada de uma ou mais substâncias úteis que tenham valor econômico, seja na superfície ou no interior da Terra (Wikipédia, 2011).
34
A Figura 10 mostra a Barragem de Mirai construída em Minas Gerais, este tipo de estrutura é considerado como um dos melhores métodos para contenção de rejeitos da mineração na atualidade.
Figura 10 – Barragem de Contenção de Rejeitos São Francisco – Mirai / MG Fonte: Duarte (2008).
2.2.2. Barragens de enrocamento Cruz (1996) caracteriza barragens de enrocamento como estruturas onde seus espaldares são de fragmentos de rocha compactada (enrocamento) e núcleo impermeável. A principal variação estrutural está no material a ser utilizado no núcleo, podendo ser de concreto ou argila. A escolha deste tipo de barragem está relacionada diretamente às características do local de implantação da mesma, em um contexto geral sua construção ocorre em pontos onde é pequena a disponibilidade de solo para a realização de toda uma estrutura impermeável. Do ponto de vista geotécnico, a barragem de enrocamento dispõe-se bem em vales rochosos e em condições que a camada superficial do solo não possui espessura significativa. A seção típica de barragens de enrocamento convencional é apresentada na Figura 11.
35
Montante
Jusante
Figura 11 – Seção Típica – Barragem de Enrocamento – Notar a variação dos materiais e sua disposição por seção. Fonte: Eletrobrás (2000).
2.2.2.1. Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila Este tipo de barragem apresenta a argila como o material impermeável do seu núcleo, os espaldares são de material rochoso e garantem a estabilidade da estrutura (Figura 12).
Figura 12 - Perfil Barragem de Enrocamento com Núcleo de Argila Fonte: Fernandes (2007).
Uma avaliação de Cruz (1996) confirma que sempre será foco principal de observação a disponibilidade do material a ser utilizado visando às condições econômicas para construção de uma estrutura de tal porte.
36
Para Fernandes (2007), nestas barragens a vedação é interna e encontra-se no núcleo da barragem, sendo o método mais tradicional e conceitual tanto para o corpo da barragem quanto para sua fundação. O núcleo impermeável é argiloso, mas não sendo uma necessidade exclusiva, podendo o material ser substituído.
2.2.2.2. Barragem de Enrocamento com Face de Concreto – BEFC. Segundo Basso (2007), a barragem de enrocamento com face de concreto caracteriza-se por seu corpo ser composto de enrocamento e, sua vedação localizar-se na parte externa da barragem, na superfície do paramento à montante. É o caso onde uma barragem de enrocamento apresenta a constituição de seu núcleo em concreto e agregados compactados. Esta característica trouxe ao ramo da engenharia a possiblidade da execução de estruturas com alturas antes inacessíveis, como por exemplo, barragens superiores a 100 metros de altura. O material utilizado tradicionalmente como vedante é o concreto (caso das BEFC, Figura 13), mas também podem ocorrer casos, principalmente em barragens de rejeitos, onde este concreto é substituído por outro componente podendo ser até mesmo sintético. Ainda referenciando Basso (2007), as BEFC possuem algumas características construtivas que lhe atribuem uma viabilidade econômica mais acessível do que as barragens com núcleo de argila, principalmente no que diz respeito à praticabilidade dos serviços e a disponibilidade do material. Ainda que exista a desvantagem no que diz respeito à execução das juntas de dilatação e da execução do plinto 18. O plinto de uma BEFC é uma estrutura de concreto construída acima da fundação e no pé da barragem e tem a função de apoiar a face de concreto à montante. Economicamente ele produz desvantagem por necessitar de caminhos de serviços para sua execução.
18
Plinto: Estrutura executada ao longo do pé da barragem de uma ombreira à outra, consolidado ao leito rochoso por meio de ancoragens metálicas. Além de suportar o peso das lajes, o plinto garante a vedação na base da barragem (FERNANDES, 2007).
37
Montante
Jusante
Figura 13 – Perfil BEFC – Barragem de Enrocamento com Face de Concreto – Notar a camada delgada de concreto no paramento à montante. Fonte: Fernandes (2007).
A Tabela 1 mostra uma lista das principais BEFC construídas no Brasil.
38
Tabela 1 - Principais BEFC’s Construídas no Brasil Foz do Areia
Segre
Xingó
Itá
Machadinho
Itapebi
Quebra Queixo
Campos Novos
Barra Grande
do Altura (m)
160
145
140
125
125
121
75
196
189
Ano de Conclusão
1980
1993
1994
1999
2001
2003
2003
2006
2005
Granito
Basalto
Basalto
Basalto
Basalto
1,00
0,80
0,80
0,80
0,80
0,80
1/3 à
1/3 à
Montante
Montante
1/3 à Montante
1/3 à Montante
200 l/m³
Litologia
Basalto
Espessura da
o
0.80
0,80
Montante do Eixo
Monta
Camada (m)
1/3 à
Enrocamento Principal
Basalt
nte
Molhagem Taludes [V:H] [1:X] Espessura da Laje [0,30+] (m) Armadura (%) Muro Crista a Jusante
Fonte: Fernandes (2007).
250 l/m³
250 l/m³
1/ 2,5 à Montante
1/3 à Montant e
150 l/m³
100 l/m³
100 l/m³
Granito / Gneiss
M: 1,4
M: 1,3
M: 1,4
M: 1,3
M: 1,3
M: 1,25
M: 1,25
M: 1,3
J: 1,4
J: 1,4
J: 1,3
J: 1,2
J: 1,2
J: 1,3 / 1,2
J: 1,2
J: 1,2
0,0034H
0,0020H
0,0020H
0,0020H
0,0020H
0,0030H
0,0035H
0,003 5H
V: 0,4
V: 0,4
V: 0,4
V: 0,4
V: 0,35
V: 0,4
V: 0,4
V: 0,4
H: 0,4
H: 0,3
H: 0,4
H: 0,3
H: 0,35
H: 0,3
H: 0,3
H: 0,4
Não
Não
Não
Não
Sim
Sim
Não
Sim
Basalto
39
2.2.3. Barragens de resíduos No texto introdutório deste capítulo foram abordadas as condições de geração de rejeitos no processo de mineração, assim como a definição deste material. As barragens para contenção são apenas um dos métodos utilizados para a disposição dos resíduos. Sendo que sua utilização parte do principio da avalição das características físicas, químicas, minerais e geotécnicas destes materiais. A classificação efetiva do rejeito pode caracterizá-lo como um rejeito sólido ou argiloso: “Os rejeitos, quando de granulometria fina, são denominados lama, e quando de granulometria grossa (acima de 0,074 mm), são denominados rejeitos granulares ” (ESPÓSITO, 2000 apud DUARTE, 2008, pag. 06). A partir desta essencial classificação define-se a forma de descarte e disposição, sendo o primeiro escolhido entre o transporte a granel ou de polpa, e o segundo diversificado em minas, empilhamento, disposição em pasta ou pela barragem de contenção de rejeitos. É uma condição exclusiva das barragens de rejeitos a execução de alteamentos ao logo do tempo, visando o confinamento futuro de forma econômica e ambientalmente correta, pois exclui a necessidade de novas estruturas e outras áreas. Os métodos de alteamento são classificados em três tipos: método à montante, método à jusante e método da linha de centro.
2.2.3.1. Método de montante Este método de alteamento consiste na execução de um dique 19 inicial constituído de enrocamento ou solo compactado e este dique servirá como ponto de partida da estrutura por onde se iniciará o lançamento do rejeito. Neste procedimento o lançamento do rejeito é feito no sentido de jusante para montante.
19
Dique: Construção destinada a represar águas correntes; reservatório com comportas; represa (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011).
40
Este processo é cíclico e sucessivo, isto significa que seu término se dá apenas quando se atinge a cota de projeto e o mesmo pode ser realizado em futuros alteamentos (Figura 14).
JUSANTE
MONTANTE
2
1
1. Execução do Dique – enrocamento ou solo compactado 2. Processo de Alteamento Sucessivo – sentido jusante para montante (utilização de rejeito como material de alteamento)
Figura 14 – Método de Montante. Fonte: Amorim (2007), modificado.
O método de alteamento a montante é o mais simples e econômico utilizado para alteamento, mas acarreta riscos no que diz respeito ao controle construtivo, pois a estrutura de contenção é construída sobre o rejeito depositado (uma vez que o lançamento é para montante) não compactado e sem um sistema efetivo de drenagem, questionando-se assim, a sua resistência e a segurança de contenção da barragem.
2.2.3.2. Método de jusante O método de jusante inicia-se também com o dique para contenção, construído com material compactado (solo ou rocha). A partir do dique efetua-se o lançamento e compactação sucessiva dos materiais citados (para jusante), até atingir-se a cota de projeto (Figura 15).
41
O método de jusante é considerado de fato mais seguro e vantajoso no que condiz ao processo construtivo, uma vez que existe o controle no lançamento e compactação dos materiais (a estrutura atingirá a resistência pré-determinada em projeto) e a contenção não se estabelece sobre o rejeito, permitindo a execução de um sistema de drenagem eficaz.
MONTANTE MONTANTE
DUTO DE REJEITO
JUSANTE JUSANTE
LÁGOA
PRAIA DE REJEITO DIQUE DE PARTIDA
Figura 15 – Método de Jusante. Fonte: Amorim (2007).
Entretanto, barragens alteadas pelo método de jusante necessitam de maiores volumes de material para construção, apresentando maiores custos associados ao processo de ciclagem ou ao empréstimo de material. Além disto, com este método, a área ocupada pelo sistema de contenção de rejeitos é muito maior devido ao progresso da estrutura para jusante em função do acréscimo da altura (ARAÚJO, 2006) apud (DUARTE, 2008).
2.2.3.3. Método de linha central O método da linha central associa o processo executivo do método à jusante com o mesmo posicionamento do dique de partida e lançamento. A diferenciação que beneficia este método está no fato de que no lançamento do material não existe o deslocamento da crista. Os lançamentos se sobrepõem de forma “alinhada”, isto reduz o custo do processo, pois reduz a
quantidade de material necessário para estruturar o alteamento (Figura 16).
42
O principal objetivo do método de linha central é reduzir as desvantagens provocadas pelas outras técnicas citadas anteriormente. Isto na prática significa a redução de área ocupada em relação ao método de jusante, a garantia de um maior controle no processo construtivo, além de permitir a projeção de um sistema de drenagem eficaz, (em comparação ao método de montante). A desvantagem está no fato de que este método reduz o volume do reservatório. TE ALTEAMENTO SUCESSIVO JUSANTE
DIQUE DE PARTIDA
TRANSIÇÃO ENTRE O MATERIAL DEPOSITADO EM CADA ALTEAMENTO E A PRAIA DE ATERRO HIDRAÚLICO
MONTANTE
PRAIA DO ATERRO HIDRAÚLICO
Figura 16 – Método de Linha Central. Fonte: Amorim (2007).
Segundo Araújo (2006 apud DUARTE, 2008), a escolha de um ou outro método de execução irá depender de uma série de fatores, tais como: tipo de processo industrial, características geotécnicas e nível de produção de rejeitos, necessidade de reservar água, necessidade de controle de água percolada, sismicidade, topografia, hidrologia, hidrogeologia e custos envolvidos.
2.3. Métodos construtivos – Barragens de enrocamento Neste subitem apresentam-se os principais métodos construtivos que envolvem a construção de uma barragem de enrocamento, partindo da avaliação inicial das condições locais do terreno de implantação, as características físico-mecânicas dos enrocamentos utilizados, o controle do processo de compactação, os fatores que englobam a escolha do tipo de fundação, a execução do sistema de drenagem e a instrumentação geotécnica.
43
2.3.1. Caracterização do terreno A caracterização do terreno da área destinada à construção de uma barragem envolve, não apenas a sua avaliação geológica local, assim como também se torna imprescindível o estudo da hidrologia local, a realização de um levantamento das áreas de empréstimos locais, sendo este último um fator crucial para a viabilização econômica na construção de uma barragem, esta é uma definição de Cruz (1996).
Do ponto de vista geotécnico obtém-se o levantamento das condições mecânicas, físicas e químicas do solo existente na área de implantação. Estes resultados são obtidos pelo meio de ensaios específicos que determinam a granulometria, a resistência a cisalhamento e as características que classificam o tipo de solo dentro de patamares já existentes.
Entretanto, é preciso ter conhecimento claro das condições de topografia local e como esta barragem se enquadrará no contexto natural do meio, até mesmo com levantamento histórico da região. Segundo Cruz (1996, pág. 95 cap. 3) todo local para a construção de uma barragem é geologicamente conturbado. Os riscos de se encontrar falhas sísmicas no terreno devem ser avaliados antes do inicio do projeto, evitando qualquer problemática estrutural e inviabilidade econômica futura.
Para um levantamento mais amplo que busque evitar tais problemas são realizadas prospecções geológicas mais abrangentes envolvendo a execução de poços e galerias que darão acesso a áreas onde as sondagens não atingem.
O estudo hidro geológico
20
está diretamente ligado às condições disponíveis para as
fundações que serão executadas, uma vez que estas informações permitem um levantamento dos tratamentos necessários à permeabilidade da estrutura e como será sua comunicação com o reservatório da barragem.
20
Estudo hidro geológico: Segundo Cruz, (1996), refere-se à definição do nível do lençol freáticos e o mapeamento fluvial de uma determinada área.
44
Este fator torna-se de extrema importância, uma vez que a permeabilidade da fundação pode provocar futuros vazamentos na estrutura, mas o terreno pode vir auxiliar, em determinados casos, com esta comunicação quando o mesmo possui alta permeabilidade e não se comunica com o reservatório, dispensando o prévio tratamento.
Um dos principais focos de viabilidade econômica para a construção de uma barragem de enrocamento são as áreas de empréstimos de material. Para isto, o levantamento destas áreas e o conhecimento característico prévio da região de implantação da barragem trarão claras condições do real custo das atividades de transporte de material, Cruz (1996).
Contudo, é importante ressaltar que nem sempre o local mais próximo será o de melhor condição, ainda que mais econômico. É importante avaliar as condições de formação de pressões neutras construtivas, a necessidade de filtros efetivos e a previsão de volume das áreas de empréstimos, evitando assim sérios problemas futuros que podem se direcionar para o rompimento da barragem.
A Figura 17 apresenta os resultados gerados pelo rompimento da Barragem de Rejeitos em Miraí, estado de Minas Gerais, onde o material armazenado invadiu os vilarejos vizinhos à estrutura.
Segundo relatório divulgado pela FEAM - Fundação Estadual do Meio Ambiente, o motivo do rompimento desta barragem foi a condição de desnível na crista da estrutura, junto à ombreira direita. O vertedouro 21 de emergência, localizado nesta ombreira não possuía um revestimento adequado à passagem do fluxo. Juntamente a estes fatos, ocorreram períodos de intensas precipitações que agravaram as condições deste ponto do reservatório, resultando na ruptura da barragem.
21
Vertedouro: O excesso de água acumulada em um reservatório de uma barragem deve ser extravasado de forma segura por um canal ou túnel, de montante para a jusante. Neste sentido, o vertedouro é o órgão de segurança da represa (Wikipédia, 2011).
45
Figura 17 – Rompimento da Barragem São Francisco, Mirai – MG. Fonte: Duarte (2008).
2.3.2. Escolha da Fundação Entre as características de avaliação inicial para a escolha e execução da fundação em uma barragem estão:
Estanqueidade: Quando não há a necessidade de deixar uma vazão mínima a jusante.
Estabilidade: Onde o aterro deve ser compatível com a fundação.
Homogeneidade: Retira-se o material do trecho que não que esteja permitindo essa característica na barragem.
Mas é preciso também avaliar as consequências geradas pela má escolha no que se refere aos materiais que constituirão esta estrutura.
46
Como exemplo deste fato, podem ser citados alguns problemas gerados por resultado de um material ineficiente:
Rochas: As rochas fraturadas possuem falta de estanqueidade, risco de perda da estabilidade devido ao baixo contato maciço-fundação, resistência a dureza reduzida no tipo que apresente arenito.22 As rochas não fraturadas possuem também risco de perda de estabilidade e resistência a dureza reduzida, mas apresenta boa estanqueidade.
Solos Granulares: Os solos granulares fofos apresentam problemas de estabilidade e baixa coesão quando compostos por areias finas e apresentam alta permeabilidade. Já os solos granulares compactos apresentam o problema de alta permeabilidade. O piping é a causa mais frequente de problemas neste tipo de material, devido a alta permeabilidade, já que a água de percolação, ao atingir a superfície, no lado a jusante, tende a arrastar as partículas constituintes e iniciar um processo de erosão interna.
Solos Moles: Os solos finos rijos 24
23
não apresentam problemas, já os solos finos moles
apresentam baixa estabilidade devido à ruptura por cisalhamento e recalques excessivos.
Em contrapartida aos problemas relacionados, determinam-se medidas de prevenção a estes fatos, sendo estes:
2.3.2.1. Fundações Rochosas Uma das medidas de prevenção de problemas em fundações rochosas é fazer a raspagem da camada superficial, tornando a superfície da rocha regular para permitir a compactação diretamente na rocha. 22
Arenito: O termo arenito corresponde à areia litificada. É composto por quartzo, feldspato (ou outros minerais de origem ígnea) e fragmentos líticos (Wikipédia, 2011). 23 Finos rijos: solos com menor capacidade de serem moldados sob certas condições de umidade (GOMES, 2005). 24
Finos moles: solos com maior capacidade de serem moldados sob certas condições de umidade (GOMES, 2005).
47
Outra medida seria de prevenção é o procedimento de execução de um dente ( Key Trench), que consiste em quebrar a descontinuidade entre maciço e fundação, e interromper de uma possível percolação no contato maciço-fundação. Seria uma execução de um dente com solo impermeável compactado (Figura 18).
Figura 18 – Execução de um Key Trench. Fonte: Gomes (2005).
Uma alternativa variada é a de prevenção para fundações rochosas seria a injeção de cimento, como mostra a Figura 19, que tem como finalidade torná-la impermeável e consolidada, reduzindo a descarga freática
25
e controlando a pressão da água nas fraturas no trecho a
jusante da barragem.
Figura 19 – Injeção de cimento em rocha. Fonte: Gomes (2005).
Entre as etapas do processo de injeção estão perfuração dos furos da rocha, limpeza do furo e do local, ensaio de perda d’água e bombeamento de calda de cimento para dentro dos furos. Os furos podem ser verticais ou inclinados, sendo que os últimos apresentam maior eficiência.
25
Descarga Freática: Saída da água subterrânea para a superfície, movimento inverso da infiltração (GOMES, 2005).
48
A pressão de injeção está em função do tipo e descontinuidade da fratura, resistência, permeabilidade e histórico da rocha, além da consistência da calda a ser usada, forma do vale e profundidade do furo a ser preenchido. Segundo avaliação de Gomes (2005), entre as vantagens de execução do furo, (antes da etapa de construção do maciço), está na redução do cronograma. A calda preenche os espaços ou furos remanescentes no contato maciço-fundação; algumas fraturas ou planos de ruptura desenvolvidos durante a construção serão preenchidos. As desvantagens do procedimento de injeção antes são o perigo de erosão no contato maciçofundação devido às pressões de teste e limpeza dos furos e pressões altas que fraturam o maciço. A vantagem no processo de injeção depois da etapa de execução do maciço é a observação real do processo de percolação, definindo a necessidade ou não de injetar. E entre as desvantagens de injeção depois da etapa de execução está o menor controle do processo de injeção e o alto custo.
2.3.2.2. Fundações em solos permeáveis As fundações em solos permeáveis apresentam como causa dos problemas a falta estabilidade, característica de solos de areias fofas de baixa densidade e a falta estanqueidade, característica de solos de areias fofas e compactas. Uma medida de resolução desse problema seria a execução de uma trincheira de vedação impermeável, escavada e recompactada ( Cut-Off ), trata-se de uma escavação, feita no solo de fundação, que é preenchida com solo compactado, a qual pode ser executada na vertical ou inclinada, cuja finalidade desse processo é a impermeabilização da camada de areia na fundação, eliminando ou reduzindo a percolação, como mostra a Figura 21. É como se o aterro da barragem se prolongasse para baixo, nas fundações.
49
Quando, num perfil de subsolo, a permeabilidade aumenta com a profundidade, existindo um maciço rochoso muito fraturado, não se devem usar trincheiras de vedação, pois a água tende a escapar por entre as fendas. Para Gomes (2005), um aspecto limitante desse procedimento são os custos elevados, prazos longos de execução e a necessidade de rebaixamento do lençol freático por poços filtrantes ou bombeamento direto (ver Figura 21), obtendo o esgotamento para construção da fundação na trincheira26.
Figura 20 – Execução de Trincheira de Vedação Impermeável. Fonte: Gomes (2005).
Outra medida para prevenção de problemas em fundações em solos permeáveis é a execução da trincheira parcial quando há a ocorrência de lentes de material, impermeável, distribuídas na fundação, conforme a Figura 22. Esse procedimento é indicado para pequenas barragens, tem baixo custo e menor influência no processo de redução da vazão e pressões para uma penetração de 95%. Para uma penetração de 80% há a redução da percolação em 50%. Pode-se também executar o processo de cortinas 27 impermeabilizantes tipo cortina estacas – pranchas (Figura 23). Sua utilização é restrita devido ao custo elevado e a existências de matacões ou rochas alteradas que causam descontinuidade na cravação, tendo como consequência a elevada percolação nos pontos de fuga. 26
Trincheira: Escavação aberta no solo no sentido longitudinal (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011). 27
Cortinas: Método de contenção periférica de solos onde os elementos principais dessa estrutura são executados no interior do solo, mesmo antes de realizar a escavação da cavidade (GOMES, 2005).
50
Figura 21 – Execução de Trincheira Parcial.
Figura 22 – Processo de Cortina Impermeabilizante.
Fonte: Gomes (2005).
Fonte: Gomes (2005).
Para Gomes (2005), a s cortinas impermeabilizantes tipo diafragma moldado “in situ” são classificadas como plástica ou rígida, é um misto de cortina de injeção e cortina prancha. É uma solução moderna, que consiste na escavação de uma vala estreita e há o seu preenchimento com uma mistura de solo cimento (diafragma plástico) ou com concreto (diafragma rígido). A escavação é feita com equipamento mecânico apropriado, até o substrato impermeável, com o uso de lama bentonítica, mantém a estabilidade das paredes da vala. A ferramenta de escavação da vala, o Clam-Shell é que dita as dimensões da vala, que é feita em painéis. Os diafragmas plásticos possuem a vantagem de serem mais deformáveis que os diafragmas rígidos, que, por recalques diferenciais, podem ocasionar fissuras ou trincas no contato aterrotopo da parede, perdendo a estanqueidade. Uma solução pra esse imprevisto é colocar argila mais plástica, compactada acima da umidade ótima, para evitar os fissuramentos. A Trincheira “Slurry Trench” é uma alternativa de pr evenção
indicada quando existe a
dificuldade de escavação de deposito de areia, pedregulho, cascalho grosso, matacões etc. Em profundidades acima de 25 m. O sistema envolve a execução de uma cortina impermeabilizante, sem esgotamento, por meio de escavadeira e preenchimento com lama bentonítica, o que permite o posterior lançamento do aterro como mostra a Figura 24.
51
Seção AA
Figura 23 – Trincheira “Slurry Trench”. Fonte: Gomes (2005).
O trabalho de Gomes (2005) mostra que este tipo de trincheira trás como vantagem a possibilidade de execução da mesma em terrenos onde há presença de matacões e de cascalhos grossos, execução em aluviões 28 altamente permeáveis associado em nível d’água elevado, não necessita de rebaixamento de lençol freático.
Possui a desvantagem da dificuldade de escavar um engastamento dentro da rocha alterada, dificuldade de escavação de materiais duros e compactos, exercendo dificuldade de retirada de material, principalmente em grandes profundidades, resistência menor dos materiais de preenchimento da trincheira.
O Tapete impermeabilizante é um método que consiste no prolongamento da barragem de aterro para montante (Figura 25), com o objetivo de aumentar o caminho de percolação. Com isto consegue-se aliviar as pressões neutras
29
a jusante; diminuir os gradientes de saída, efeito
também alcançado pelas soluções anteriores, mas a um custo bem mais elevado; e reduz a vazão de perda d’água, mas de forma bem menos eficient e que as soluções anteriores.
28
Aluviões: Depósitos recentes de sedimento inconsolidado que se forma ao longo das margens dos rios e nas desembocaduras dos cursos d'água com alguma massa de água parada (lago, laguna ou mar) (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011). 29
Pressões neutras: Pressão a que está submetida a água que se encontra nos poros existentes entre as partículas de um solo (GOMES, 2005).
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Figura 24 – Tapete Impermeabilizante. Fonte: Gomes (2005).
O Dreno de pé (Figura 26) apresenta-se como mais uma opção ao tratamento de fundações de barragens. Tem como objetivo ser um coletor de águas freáticas dos filtros e transportá-las ao leito dos rios, (GOMES, 2005).
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Figura 25 – Dreno de Pé. Fonte: Gomes (2005).
A Figura 27 mostra o esquema dos Poços de alívio, que tem a finalidade de controlar as pressões de percolação.
Figura 26 – Poços de Alívio. Fonte: Gomes (2005).
São poços abertos, com espaçamento de 15 a 30m, preenchidos com material granular, mais permeável que o solo de fundação, com o objetivo de controlar a saída d’água,
impedindo a
saída vertical, junto ao pé do talude à jusante, levando ao fenômeno de areia movediça ( sand boil ) ou ao levantamento do solo ( blow out ), podendo ocasionar o piping .
Esse tratamento apresenta como desvantagem a requisição permanente de inspeção e manutenção, onde os poços devem ser substituídos periodicamente. Outra desvantagem é a diminuição do caminho médio de percolação, aumentando a percolação subterrânea.
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2.3.2.3. Fundações em solos impermeáveis – solos saturados Uma alternativa ao tratamento de fundações em solos saturados é a substituição das camadas de solo de baixa resistência por material de qualidade técnica superior, geralmente o do maciço compactado. Entretanto, possui como fator limitante a profundidade da camada. Segundo Gomes (2005), outra solução para fundações de barragem é o aumento da área de distribuição das tensões de cisalhamento com a construção de bermas 30 de equilíbrio (Figura 28) ou da redução da inclinação do talude (Figura 29). Esses procedimentos proporcionam aumento da área de assentamento da barragem.
Figura 27 – Bermas de Equilíbrio.
Figura 28 – Redução da Inclinação do Talude.
Fonte: Gomes (2005).
Fonte: Gomes (2005).
A construção por etapas (conforme a Figura 30) vem ser mais um recurso que facilita a expulsão da água dos poros do solo. Esse método dissipa as pressões neutras, consolidando o solo e fazendo-o ganhar resistência.
Figura 29 – Construção por Etapas. Fonte: Gomes (2005).
30
Bermas: Passagem estreita que separa uma trincheira, um fosso, um canal etc., das terras de escavação; releixo (Dicionário Online de Português: todas as palavras de A a Z., 2011).
55
A drenagem com estacas de areia (Figura 31), devido ao seu alto custo, é utilizada apenas em médias e grandes barragens. Permite o alívio gradual das pressões neutras, em contrapartida aumenta a tensão efetiva 31da fundação, (GOMES, 2011).
Figura 30 – Drenagem por Estacas de Areia. Fonte: Gomes (2005).
2.3.2.4. Fundações em solos impermeáveis – solos não saturados Conforme os estudos de Gomes (2005), entre as soluções para esse tipo de solo estão: a compactação dinâmica que consiste num pré-umedecimento e compressão de grandes espessuras de solos, e a cunha anticisalhante (shear key) que tem o objetivo absorver parte das tensões de cisalhamento (Figura 32).
Figura 31 – Cunha anticisalhante “shear key”. Fonte: Gomes (2005).
31
Tensão Efetiva: Tensão transmitida pelos contatos entre partículas, respondendo pelas características de deformabilidade e resistência ao cisalhamento dos solos (GOMES, 2005).
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2.3.3. Processos de Drenagem Um dos fatores essenciais ao bom funcionamento da barragem é o sistema de drenagem, a maior parte dos acidentes deve-se a falta de um sistema eficiente que controle o fluxo de água que passa pelo maciço. Para captar e conduzir este fluxo são utilizados filtros que drenam a água da base da barragem a fim de controlar a percolação pela fundação. A ausência de filtros pode ocasionar o piping. A finalidade dos filtros é prevenir a erosão regressiva, rupturas hidráulicas e trincas acarretadas por alterações no corpo da barragem. O dimensionamento dos filtros segue as seguintes etapas propostas por Gomes (2005):
Determinação da quantidade de água (vazão) a ser captada pelos filtros;
Com base nos materiais granulares disponíveis, fixa-se o valor do coeficiente de permeabilidade dos filtros e calcula-se a espessura do mesmo;
Verificação dos materiais dos filtros e dos solos que evolvem atendendo o critério de filtro de Terzaghi, para que seja garantida a segurança contra o piping, mostrado na Figura 33.
Figura 32 – Critério de filtro de Terzaghi. Fonte: Gomes (2005).
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Um dos problemas que ocorrem nos filtros é a colmatação, uma obstrução nos vazios do material drenante, que diminui a permeabilidade. Esta obstrução está ligada a precipitação de óxidos ferrosos ou o carreamento a montante do filtro de finos. O acúmulo de sais metálicos ocasiona outro problema conhecido como cimentação. Os agregados do filtro devem proporcionar um meio poroso que possa interceptar fluxos existentes no aterro e conduzi-los a jusante. Deve ser também mais permeável que o solo abrigado, permitindo a livre drenagem da água.
2.3.4. Tipos de enrocamento Por definição de Basso (2008, pag. 23 cap. 03), enrocamento é um material constituído principalmente por blocos rochosos com dimensões apreciáveis, obtidos pelo meio de desmonte de maciços rochosos e posteriormente processados em britadores. Uma definição técnica para enrocamentos pode ser obtida pela conclusão de Marsal, (1973 apud CRUZ,
2004, pág. 235 cap. 7) que definiu enrocamento por: “material que, quando
submetidos a uma variação de tensões, sofrem transformações estruturais devidas a deslocamentos, rotações e quebra dos grãos. Para ter em conta estas variações e a sua influência nas características de deformação e resistência, é necessário estudar a distribuição das forças de contato e os fundamentos da quebra de partículas”.
É a partir deste principio técnico que pode se iniciar o entendimento da diversificação classificatória dos enrocamentos, pois é por base do estudo das aplicações de tensões nas rochas e a avaliação de sua fragmentação que são definidas as características físicas dos tipos de enrocamentos. Como por exemplo, pode-se citar Maranha das Neves (2002) apud (Basso, 2008, pág. 24 e 25 cap. 3), a porcentagem de fragmentos com dimensão inferior a 0,074 mm (# 200, ASTM) não deve exceder 10% e a dimensão máxima dificilmente ultrapassa 1000 mm. Frequentemente, a porcentagem de partículas com dimensão superior a 50 mm é superior a 60 %, nesse caso, são os blocos de maior dimensão que controlam o comportamento do maciço.
58
A Figura 34, apresentada por Divino (2010), mostra a faixa granulométrica onde se definem os enrocamentos.
Figura 33 - Faixa Granulométrica do Enrocamento definida por Neves. Fonte: Divino (2010).
Divino (2010) avalia este gráfico concluindo que diante da variabilidade das dimensões de rochas que podem ser qualificadas como enrocamentos, existem situações onde esta magnitude do bloco impede um ensaio no próprio material seja este no local da obra ou em laboratório. Nestas situações é necessário encontrar alternativas que possam fornecer valores que sirvam de parâmetros para classificar as características mecânicas do enrocamento trabalhado. Nesta sistemática, a engenharia abrange ao enrocamento fatores similares aos de solos granulares que irão definir a resistência e a deformabilidade do enrocamento. Para Dias (2001, pag. 6 cap. 2), este principais fatores são: mineralogia, resistência da rocha, fraturamento dos blocos, índice de vazios, forma e textura dos blocos, condições de umidade (saturação), tamanho dos blocos, velocidade de carregamento e magnitude das tensões aplicadas.
59
A mineralogia é avaliada a partir do ângulo de atrito das partículas e sua resistência à quebra. No caso de enrocamentos, sua interferência está ligada diretamente à resistência do bloco de rocha ao cisalhamento e possível deformabilidade. Já o estudo da resistência da rocha está conectado ao fato de que em situações de rompimento afeta diretamente a distribuição granulométrica do enrocamento e sua deformabilidade, fato este que pode provocar o embricamento diferenciado nas regiões compactadas provocando diversificados valores de resistência da estrutura constituída por este material. É possível realizar o controle da deformação do enrocamento em barragens com a utilização de solos para a ocupação dos vazios, fator que reduz a quebra das partículas, (DIVINO, 2010). A compacidade está diretamente ligada ao índice de vazios, que para a construção de uma estrutura que solicita alta resistência e pequena deformabilidade como o caso de barragens, busca-se a melhor combinação possível a estes dois fatores. A saturação pode influenciar, para alguns minerais, na resistência perimetral da rocha. Mas é fator generalizante, que a saturação aumenta consideravelmente a deformação do enrocamento. A partir das avaliações descritas podemos classificar os enrocamentos conforme a Tabela 2: Tabela 2 – Exemplo de Classificação dos Enrocamentos Classificação
o t n e m a c o r n E
Tipo
Características
Colocação
1A
Basalto Maciço com até 25% de
Lançado
1B
Brecha Basáltica
Compactado
1C 1D 1E
Basalto Maciço com até 40% de Brecha Basáltica Basalto Maciço com mais de 40% de Brecha Basáltica Bloco de Basalto Maciço ou Brecha Basáltica
Compactado Compactado Arrumado
Fonte: Fernandes (2007).
O foco da classificação está no planejamento das posições da barragem onde poderão ser aceito materiais com características inferiores ou superiores de resistência, deformação e grau
60
de compactação. Além de garantir o melhor processo executivo para o assentamento destas rochas.
2.3.5. Processo de compactação Por definição técnica o objetivo da compactação é aumentar a densidade do solo por meio de um processo mecânico. No caso de enrocamentos a compactação afeta o volume específico e o material sólido, pois ocorrem variações físicas por consequência do esmagamento e da quebra da rocha. A exemplo desta definição apresenta-se a curva granulométrica da Barragem de Shiroro, (Figura 35) apresentada por Cruz (2009) apud Divino (2010, pág.43, cap. 2). O gráfico apresenta as especificações de projeto, as condições antes e após a compactação do diâmetro do enrocamento, provando sua redução de volume.
Figura 34 – Comportamento do Enrocamento Barragem de Shioro Fonte: Divino (2010).
O processo de compactação sempre irá buscar os métodos executivos que resultem no melhor módulo de deformabilidade do enrocamento. Para isto exige-se, acima de tudo, o controle dos materiais e dos equipamentos utilizados.
61
Para Cruz (1996) a definição dos materiais a serem utilizados na compactação e o altura da camada é consequência do tipo de enrocamento utilizado e o nível de camada ao qual ele se projeta na barragem. Estas definições surgem de aterros experimentais que fornecem as melhores condições do grau de compactação, definindo a espessura das camadas, número de passadas do rolo compactador.
2.4. Instrumentação geotécnica As obras de barragens apresentam grande quantidade de ensaios e instrumentações desde a etapa de projeto ao processo de monitoramento da operação da obra. O monitoramento hidráulico-mecânico tem um papel essencial na análise do comportamento destas estruturas, tanto no processo de projeto quanto no período de operação. Gutiérrez (2003) descreve a finalidade da instrumentação geotécnica de barragens apresentada no manual de instrumentação de barragens da U.S. Army Corp of Engineers de 1995, sendo que a finalidade pode ser proposta em quatro divisões: avaliações analíticas, previsão do desempenho futuro, avaliações legais e desenvolvimento e verificação de futuros empreendimentos. Os dados obtidos pelas avaliações analíticas fornecem parâmetros para a elaboração de projetos, hipóteses de modelagem estrutural e técnicas construtivas. Executar previsões para a confirmação das condições normais de operação ou a análise de riscos potenciais para a barragem são dados da instrumentação para previsão de desempenho futuro. Segundo Cruz (1996) a análise do desempenho de futuros empreendimentos se refere ao acompanhamento desde a fase construtiva até a fase operacional com o objetivo de aperfeiçoamento dos métodos de projeto e execução da barragem.
62
A segurança de uma barragem está vinculada aos aspectos de projeto, construção, instrumentação, fiscalização, operação e manutenção. Por mais eficiente que seja o projeto de uma barragem e a inspeção de sua construção, só é possível cumprir um eficiente controle das condições de segurança da barragem se a mesma estiver sendo inspecionada e monitorada por meio de instrumentação apropriada.
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3. MÉTODO DE TRABALHO Neste capítulo apresenta-se o método de trabalho adotado para a elaboração deste material. Este processo se iniciou com a escolha e definição do tema e por consequência a solicitação do orientador capacitado e encerrou-se na apresentação do estudo de caso desenvolvido e as conclusões adquiridas por consequência do estudo.
3.1. Definição do tema e escolha do orientador A definição do tema ora proposto foi selecionado, após uma premissa de estudo inicial que compreendeu no dimensionamento de enrocamento em barragens de contenção. Diante da avaliação do material disponibilizado, observou-se a necessidade do direcionamento do tema para o estudo geológico de obras com tais características. Partindo-se deste foco, fez-se então a seleção de um tema relacionado à contenção de resíduos, uma vez que este foco de avaliação aborda os alteamentos desenvolvidos constantemente em obras com esta característica. A seleção do orientador deste trabalho baseou-se no foco de estudo, obras direcionadas a geotecnia construtiva associada a barragens, de uma forma geral. Assim foi solicitada a orientação do professor Wilson Shoji Iyomasa.
3.2. Entrevista efetivada com profissional da área Procurando o aprimoramento de conhecimentos técnicos direcionados a obras com as características descritas, realizou-se entrevista com o Geólogo Antônio Marrano, responsável técnico pelo IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas nas obras desenvolvidas para alteamento da Barragem Palmital, de propriedade da CBA – Companhia Brasileira de Alumínio no ano de 2005. Após discussão sobre as possibilidades abrangentes ao foco de pesquisa (barragens de enrocamento), ao término da entrevista e consulta, fico definido o tema para elaboração deste
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material como: Construção de Barragens de Enrocamento para Contenção de Resíduos de Mineração. Diante da orientação técnica do Geólogo Antônio Marrano e o Orientador Wilson Shoji Iyomasa, foi desenvolvida a pesquisa por bibliografias que auxiliaram na elaboração deste trabalho.
3.3. Estabelecimento do Cronograma e Desenvolvimento da Revisão Bibliográfica. Para iniciação do projeto, foi traçado um cronograma Gantt com todas as atividades e prazos necessários para o desenvolvimento deste trabalho. Entretanto, as atividades marcos foram estabelecidas pelo próprio cronograma acadêmico, sendo estas:
1ª Entrega (Report. 1):
18/03/2011;
2ª Entrega (Report. 2):
08/04/2011;
3ª Entrega (Report. 3):
20/05/2011;
Entrega Final TCC 1:
07/06/2011;
Exame de Qualificação:
13 a 24/06/2011.
65
Uma vez fixados os prazos de entrega, iniciou o período de estudo e elaboração de toda a revisão bibliográfica. Para tanto, buscou-se o conteúdo de materiais acadêmicos (teses, dissertações, livros), assim como publicações periódicas em congressos e setores específicos do tema desenvolvido.
3.4. Elaboração do estudo de caso e Análise dos Resultados Obtidos O Estudo de caso, proposto para ser desenvolvido como uma segunda etapa deste trabalho, (a primeira foi estabelecida na Revisão Bibliográfica). Trata-se de um estudo exclusivo desenvolvido sobre as obras que remediaram o alteamento da Barragem Palmital, no interior do Estado de São Paulo, cidade de Alumínio. A estrutura deste assunto baseou-se nos projetos, levantamentos geotécnicos e geológicos desta barragem. É importante salientar que neste caso, o material de apoio apresenta propriedades autorais da empresa Votorantim Alumínio. A partir das avaliações técnicas em relação aos métodos construtivos adotados para a construção referenciada, apresentam-se as conclusões obtidas deste trabalho.
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4. MATERIAIS E FERRAMENTAS Os materiais utilizados para o desenvolvimento da revisão bibliográfica foram centrados em conteúdos acadêmicos como: teses e dissertações de graduações (em particular relacionadas ao estudo de barragens e geologia de engenharia); relatórios técnicos apresentados em conferências e eventos; livros e referências bibliográficas de autores especializados no assunto tratado.
Para o desenvolvimento do estudo de caso apresentado, utilizou-se de base o conteúdo de todos os projetos, relatórios fotográficos, materiais de análises técnicas e avaliações profissionais específicas, desenvolvidas para a construção do alteamento da barragem de resíduos Palmital, desenvolvido pela CBA – Companhia Brasileira de Alumínio, e seus colaboradores. As pesquisas realizadas em bibliotecas públicas, assim como a especulação de informações recentes em publicações técnicas, foram desenvolvidas em todo o decorrer dos estudos para a elaboração de um material atualizado. Por fim, foram consultadas as normas técnicas que regem os conceitos referentes ao tema estudado, como também as normas referentes ao desenvolvimento de um conteúdo técnico acadêmico. Como exemplo pode-se citar: NBR 10520 – Citações em Documentos, ABNT; NBR 13028 - Elaboração e apresentação de projeto de disposição de rejeitos de beneficiamento, em barramento, em mineração, ABNT. A partir da análise técnica dos materiais citados e referenciados ao término deste trabalho, realizada com o apoio e instrução profissional do professor orientador Dr. Wilson Shoji Iyomasa, foi desenvolvida a estruturação e a conceituação deste trabalho. Como ferramenta técnica utilizada, tem-se a realização de entrevista com profissional especializado em barragem de enrocamento e atuante na execução do alteamento da Barragem Palmital, realizado entre os anos de 2005 e 2009.
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5. ESTUDO DO ALTEAMENTO DA BARRAGEM PALMITAL. O estudo de caso proposto neste trabalho refere-se ao processo de alteamento de barragens. O processo de alteamento é um procedimento desenvolvido com maior frequência em barragens que operam no armazenamento de rejeitos. Seu principio básico consiste na elevação da cota de coroamento 32 da barragem em etapas, com o intuito de aumentar o tempo de vida da mesma. O processo de alteamento na realidade substitui a necessidade da construção de uma nova barragem, ele ocorre de forma controlada por meio de estudos amplos da engenharia que avaliam as condições atuais da estrutura e sua possibilidade do processo.
32
Coroamento - a superfície que delimita superiormente o corpo da barragem (Souza, 2009).
68
O procedimento é mais econômico (em vista do cronograma de execução das atividades), mais seguro (uma vez que o alteamento é executado em fases), e ameniza consideravelmente o impacto ambiental causado (levando- se em consideração que o método “substitui” a necessidade de construção de uma nova barragem.). A ênfase deste estudo de caso está direcionada ao processo do alteamento de barragens de enrocamento ao invés do uso de rejeitos para elevação da cota de coroamento. Este procedimento é mais raro, diante da necessidade de um maior investimento econômico, porém apresenta melhores parâmetros de segurança pelo controle de qualidade e aplicações tecnológicas envolvidas na utilização do enrocamento. Como exemplo desse tipo de método construtivo cita-se a Barragem Palmital, localizada na cidade de Alumínio no interior do estado de São Paulo – Brasil. O estudo de caso apresentado envolveu a compreensão dos procedimentos e métodos construtivos utilizados durante o processo da 3ª fase de alteamento desta estrutura.
5.1. Descrição da Barragem A concepção da barragem Palmital a define como uma estrutura onde seu núcleo é composto de solo compactado, envolvido por enrocamento de proteção a montante e a jusante. Sua drenagem interna é composta de transição vertical de areia e brita, sendo que na ombreira esquerda há uma galeria de drenagem fechada em concreto armado (FIDENS, 2011). A Barragem Palmital foi projetada para a contenção de sedimentos dos rejeitos gerados pelas operações de industrialização da bauxita, provenientes da produção de alumínio da Companhia Brasileira de Alumínio – CBA (FIDENS, 2011). Sua estrutura foi desenvolvida sobre fundações assentadas sobre embasamentos rochosos na cota 770 metros. Seu processo de alteamento for dividido em três fases, onde as duas primeiras etapas foram executadas no mesmo período, (entre os anos de 1986 e 1990). Já a terceira etapa (foco de
69
estudo deste trabalho), teve o início das avaliações e relatórios para a sua concepção no ano de 2005. Sendo que a finalização das obras se deu no ano de 2009. Os principais sistemas que compõem esta estrutura são: vertedouro e canal de cintura, barragem auxiliar (dique) e barragem principal. A Figura 36 apresenta uma imagem aérea da barragem e sua representação ilustrativa com as principais estruturas citadas, entre a 1ª e a 3ª fase de alteamento o reservatório sofreu alterações em sua extensão e largura, com o objetivo de garantir o maior volume possível de confinamento do reservatório. É possível observar o posicionamento das barragens principal e auxiliar, sendo que a segunda foi instalada em um talvegue 33 à jusante da estrutura.
Figura 35 – Vista Geral – Ombreira Esquerda à Oeste e Ombreira Direita à Sudoeste. Fonte: Google Earth (2011). 33
Talvegue: s.m. Hidrologia - A linha formada pela intersecção das duas superfícies formadoras das vertentes de um vale. É o local mais profundo do vale, onde correm as águas de chuva, dos rios e riachos, (DICIONÁRIO.PRO.BR...2011).
70
A imagem deixa claro o método de lançamento do rejeito no reservatório, que é executado à jusante por meio de dispersores, o procedimento é intencional para que o rejeito se concentre na estrutura principal. Os taludes envoltos da barragem foram mantidos com vegetação natural para auxiliar na redução do escoamento de águas pluviais. Esses taludes apresentam sua declividade direcionada aos canais de cintura (canal de drenagem), isto faz com que as águas das chuvas, em sua maior percentagem, não sejam lançadas no reservatório. A topografia do terreno que cerca o vale do reservatório também seguiu esta preocupação em direcionar as águas excedentes da chuva para fora do reservatório. As Figuras 37 e 38 são fotografias que relatam a condição final da barragem à jusante e à montante respectivamente. Na Figura 37 é possível observar mais claramente a estrutura da barragem principal assim como a camada de enrocamento como camada de proteção e sua diversidade granulometria.
Figura 36 – Vista Geral da Barragem à Jusante. Fonte: FIDENS (2011).
71
Na Figura 38 observa-se a condição final de barragem à montante, à esquerda no fundo é possível ver nitidamente o dique (barragem auxiliar). O rejeito se concentra em sua maior parte à jusante do reservatório, mas existe a dispersão também à montante. Nesta situação o lançamento de água no reservatório provoca, propositalmente, o movimento dos resíduos para jusante. Este procedimento mantém a segurança no reservatório que possui o dimensionamento da barragem principal para resistir aos esforços desta sobrecarga de rejeito. Os enrocamentos observados à margem do reservatório trabalham como filtros para reduzir o escoamento das águas pluviais.
Figura 37 – Vista Geral da Barragem à Montante. Fonte: FIDENS (2011).
5.1.1. Barragem Principal e Auxiliar A seção da barragem principal é caracterizada por uma seção tipo crista com núcleo em solo compactado, com elemento filtrante de manta geotêxtil e os taludes à montante e à jusante compostos por enrocamento que acompanham a inclinação do núcleo.
72
Seu processo executivo consistiu no método de alteamento à jusante onde o seu dique de partida foi constituído de solo compactado obtido da própria região. Na bacia hidráulica há uma depressão, onde foi construído um pequeno dique, denominado barragem auxiliar. A necessidade desta estrutura ocorreu na 3ª fase do alteamento, quando o volume do reservatório alcançou cota superior à cota desta depressão. A ausência desta barragem conduziria ao extravasamento das águas para esta região, acarretando vazamento do reservatório. A barragem auxiliar é composta de um maciço homogêneo de terra, com cota de coroamento e taludes de montante e jusante iguais aos do alteamento da barragem principal. O controle de infiltração das águas no maciço da barragem auxiliar é realizado por meio de um sistema de drenagem interna. Este sistema consiste de:
Filtro vertical de areia com 0,80 m de espessura;
Tapete drenante de areia e enrocamento na extremidade jusante do tapete.
5.1.2. Vertedouro e Canais de Cintura – (Estruturas de Drenagem). O vertedouro, composto por um canal de fuga, foi executado durante a terceira fase de alteamento e tem a função de regularizar o nível de água do reservatório, impedindo qualquer possibilidade de extravasamento. O vertedouro (perfil Creager – Figura 39) localiza-se na ombreira esquerda da barragem, sendo o reservatório construído sem comportas. No prosseguimento da estrutura dissipadora, o escoamento é feito por uma galeria. Após a galeria as águas vertidas seguem por um canal trapezoidal até o talvegue que conduz as águas para longe da saia da barragem.
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Figura 38 – Exemplo de Vertedouro em Perfil Creager . Fonte: Pinheiro (2006).
No perímetro de toda a área do reservatório foi construído um canal de cintura para coletar as águas pluviais de contribuição da bacia e encaminhá-las diretamente para jusante da barragem (FIDENS, 2011). Os canais (ombreira direita e esquerda) foram executados em seção trapezoidal sem revestimento com declividade constante.
5.1.3. Galeria de Drenagem Como já comentado anteriormente, a galeria de drenagem é uma estrutura desenvolvida para o controle do nível do reservatório. Sendo este o fator mais importante a ser considerado em uma barragem não rígida, pois elas não suportam o transbordo, cedendo ao rompimento. A galeria de drenagem aqui desenvolvida foi dividida em dois trechos: o primeiro trecho foi construído por assentamento de tubos de concreto, com declividade constante sob a barragem. Já o segundo trecho foi construído dentro do reservatório e por esta razão, consistiu de um prolongamento do sistema inicial, porém com seção em “U”.
Essa galeria operou normalmente desde sua construção até o ano de 2002 quando foi parcialmente desativada, sendo concretada até quase a sua cota de coroamento, passando a ter apenas função de estrutura vertedoura numa cheia excepcional.
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5.2. Estudos Geotécnicos No caso do alteamento da Barragem Palmital, os estudos geotécnicos tiveram por finalidade a obtenção de dados do material utilizado, que serviram como base para análise de segurança quanto à estabilidade do solo. Entre os estudos realizados estão os ensaios em laboratório e instrumentações geotécnicas que desempenham papel fundamental na avaliação do comportamento da barragem, tanto durante o período de projeto quanto no período de operação. As condições geológicas e geotécnicas podem inviabilizar um projeto ou uma solução construtiva, pois na maioria dos casos, são grandes os custos necessários para a estabilização de cortes e aterros, além de outros serviços a serem executados em terrenos desfavoráveis, como por exemplo:
Cortes em rocha;
Aterros sobre solos moles;
Transporte em solos moles;
Cortes que atingem o lençol freático, o que geraria obras adicionais de drenagem;
Dureza do material a ser escavado, exigindo técnicas especiais de escavação.
No caso da Barragem de Palmital os serviços de campo e laboratório foram realizados em 3 (três fases):
Reconhecimento preliminar de campo;
Amostragem sistemática;
Ensaios geotécnicos.
O objetivo destes estudos foi:
Possibilitar soluções menos conservadoras, permitindo economia significativa para a obra;
Alertar sobre a ocorrência de possíveis anomalias no comportamento da barragem;
Fornecer informações, por retro-análise dos dados de instrumentação, a respeito dos valores dos parâmetros dos materiais que constituem a barragem e a sua fundação;
Possibilitar revisões no projeto durante o período construtivo.
75
5.2.1. Investigações de Campo Para a verificação da continuidade das camadas de solos compactados, foram executados três poços de inspeção, suas respectivas profundidades estão apresentadas na Tabela 3, assim como se apresenta o índice de SPT ( Standard Penetration Test) de metro em metro como mostra a Figura 40. Tabela 3 – Profundidade dos Poços de Inspeção
Poço de inspeção
Profundidade (m)
PI-01
4,00
PI-02
4,00
PI-03
4,00
Figura 39 – Esquema de um poço de inspeção. Fonte: Moura (2011).
As Figuras 41 e 42 apresentam os procedimentos de campo desenvolvidos, desde a abertura dos poços de inspeção até o momento da remoção dos blocos indeformáveis.
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Constatou-se em análise dos blocos que eram compostos por silte pouco argiloso com muitos torrões centimétricos e decimétricos de alteração de rocha.
Figura 40 – Abertura dos poços de sondagem.
Figura 41 – Retirada de blocos indeformados.
Sondagens a percussão também foram executadas, sendo quatro junto ao coroamento da barragem atual e mais duas junto ao pé do talude a montante da berma (Figura 43), para verificação da resistência do solo, já que para a construção do vertedouro o maciço foi alteado em 8 m, além da construção de dique, denominado Barragem Auxiliar.
Figura 42 – Realização de sondagem a percussão.
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As sondagens a percussão, com medidas dos índices de resistência a penetração SPT (Standard Penetration Test ), constitui a metodologia rotineira para fins de investigação geotécnica em obras de terra. Este ensaio mede a resistência do solo ao longo da profundidade perfurada. A pesquisa geotécnica foi realizada com um cilindro amostrador padrão cravado por meio de golpes de um martelo de 65 kg em queda livre de 75 cm. Foram registrados os números de golpes necessários para penetração de três trechos de 15 cm, sendo que a resistência à penetração consistiu no número de golpes aplicados nos 30 cm finais.
Figura 43 – Esquema de um furo de sondagem a percussão. Fonte: Moura (2011).
Foram realizadas seis sondagens a percussão com índice de SPT de metro em metro com profundidades descritas na Tabela 4, onde foram coletadas amostras de solo a cada metro, as
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quais foram submetidas a ensaios de caracterização em laboratório, obtendo massas específicas, teores de umidade, limites de consistência e granulometrias. Profundidades das sondagens a percussão. Tabela 4 – Profundidades
F ur o de sondagem
Profundidade (m)
SP01
43,60
SP02
68,02
SP03
41,00
SP04
10,45
SP05
41,45
SP06
32,40
As Sondagens a percussão apresentaram basicamente três camadas de solo como mostra a Tabela 5. Resultados das Sondagens a Percussão. Tabela 5 – Resultados
Furo de Sondagem
Profundidade do Furo (m)
SP01 SP02
43,60 68,02
SP03 SP04
41,00 10,45
SP05
41,45
SP06
32,40
Consistência ou Compacidade das Camadas SPT20 SPT30 ACIMA DE SPT30 Silte pouco Silte arenoso Silte argiloso com argiloso com pouco fragmentos de rocha pedregulhos argiloso alterada Média a Rija Rija a Dura Dura a Muito Dura Rija a Dura Dura a Muito Dura a Muito Dura Dura Média a Rija Rija a Dura Dura a Muito Dura Média a Compacta Compacta Compacta Pouco Média a Compacta a Muito Compacta a Compacta Compacta Média Média a Rija Rija a Dura Dura a Muito Dura
Além destas sondagens, foram executadas quatro novas sondagens complementares (à percussão) com índice de SPT de metro em metro no terreno da fundação da Barragem Auxiliar para verificação da resistência do solo, com profundidades descritas na Tabela 6, onde foram coletadas amostras de solo a cada metro, as quais foram submetidas a ensaios de caracterização em laboratório, obtendo massas específicas, teores de umidade, limites de consistência e granulometrias.
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Tabela 6 – Profundidade das sondagens complementares.
F ur o de sondagem
Profundidade (m)
SP07
3,03
SP08
3,02
SP09
8,02
SP10
5,03
As sondagens complementares apresentaram basicamente duas camadas de solo como mostra a Tabela 7. co mplementares. Tabela 7 – Resultados das sondagens a percussão complementares.
FURO DE SONDAGEM
PROFUNDIDADE DO FURO (m)
SP07 SP08 SP09 SP10
3,03 3,02 8,02 5,03
CONSISTÊNCIA OU COMPACIDADE DAS CAMADAS SPT20 SPT30 ACIMA DE SPT30 Argila siltosa Silte argiloso com fragmentos com de rocha alterada pedregulhos Muito Dura Média Muito Dura Média Dura a Muito Dura Dura Dura a Muito Dura
5.2.2. Investigações em laboratório Corpos de prova foram confeccionados com os blocos indeformados coletados tendo como próxima etapa a realização realização de ensaios obtendo obtendo parâmetros de cisalhamento, cisalhamento, deformabilidade deformabilidade e permeabilidade do maciço de solo solo compactado existente. Foram realizados os seguintes ensaios em laboratório:
Caracterização completa: granulometria com sedimentação, densidade dos grãos (G), limites de liquidez e plasticidade (LL e LP);
Compactação Proctor normal (5 pontos sem secagem prévia e sem reuso do material) com a finalidade de determinar os parâmetros aceitáveis de compactação para uma relação ótima de água (Figura 45), modificando-se a umidade com a adição de água ou
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secagem, imprimindo energia por meio de um soquete de 2,5kg caindo de uma altura de 30cm, compactando o solo em 3 camadas de 25 golpes (Figura 46);
Figura 44 – Molde Molde do ensaio de Proctor. Fonte: MOURA (2011).
Figura 45 – Compactação Compactação no ensaio de Proctor Normal. Fonte: MOURA (2011).
Adensamento oedométrico;
Triaxiais CUsat;
Permeabilidade em permeâmetro de carga variável.
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Já para as amostras retiradas da sondagem à percussão foram realizados os seguintes ensaios: Caracterização completa: granulometria com sedimentação, densidade dos grãos (G), limites de liquidez e plasticidade (LL e LP);
Compactação Proctor normal (5 pontos sem secagem prévia e com reuso do material);
A análise dos ensaios serviu para colher parâmetros para classificação do material com a finalidade de elaborar o projeto executivo realizaram-se ensaios pra determinação de: Teor de umidade.
Baixo teor de umidade dificulta o desmonte em solos secos;
Solos muito úmidos têm densidades maiores, exigindo maior potência das máquinas para movê-los.
Tamanho e forma das partículas
Quanto maior o tamanho das partículas individuais do solo, mais difícil será o desmonte pelas bordas das lâminas e caçambas.
Existência de vazios
Solo pequeno volume de vazios, oferece maior resistência ao corte.
5.2.3. Parâmetros geotécnicos Os resultados dos ensaios de caracterização e de compactação com energia Proctor Normal forneceram as características geotécnicas para os solos compactados do maciço da barragem: granulometria, limite de liquidez, índice de plasticidade, peso específico seco máximo, umidade ótima e permeabilidade, fundamentais para a correlação destes aos parâmetros de resistência ao cisalhamento dos solos. Nos ensaios triaxiais CUsat com medição de pressões neutras, forneceram os valores dos parâmetros de resistência ao cisalhamento do aterro compactado existente, a partir de ensaios em amostras indeformadas.
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Os valores de resistência ao cisalhamento adotados nas análises, com base nos resultados dos ensaios triaxiais Cusat em amostras interformadas do núcleo argiloso da barragem existente:
Coesão efetiva = 3,0 tf/m²
Ângulo de atrito efetivo= 29 graus
E de amostras deformadas das áreas de empréstimos exploradas foram:
Coesão efetiva= 5,0 tf/m²
Ângulo de atrito efetivo= 29 graus
Nas análises o peso específico natural do aterro foi considerado igual a 1,90 tf/m³. As sondagens, para a avaliação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento do aterro siltoargiloso compactado indicaram encontrar-se a compacidade do aterro tido como rijo até a profundidade de aproximadamente 15 metros e muito rijo para profundidades superiores a 15 metros.
5.3. Descrição do Projeto A Barragem Palmital iniciou seu processo de execução no ano de 1986, período no qual foram principiadas as atividades de estudos de viabilidade: Seu processo construtivo foi previsto em três etapas:
1ª Etapas: Construção do dique inicial, (Figura 42 – Barragem Existente), na menor cota (770 m) a partir do qual se fez a primeira etapa de construção da barragem estabelecendo na cota 811 m a primeira cota de coroamento;
Ainda na 1º Etapa foi procedido o primeiro processo de alteamento até a cota de coroamento 837 m;
A 2ª Etapa foi executada logo em sequencia a primeira e fixou a cota de coroamento da barragem em 850 m.
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O processo de execução da 1ª e 2ª etapa foi realizado durante os anos de 1986 a 1990, sendo que durante este processo a barragem não estava em atividade. Durante os anos de 1990 a 2007, a barragem permaneceu com as seguintes características:
Cota de coroamento: 850 m – seção tipo crista.
Largura da crista: 20 m.
Comprimento na cota de coroamento: 620 m.
Cota do Talvegue: 770 m.
Filtros de Transição: Areia e brita com 3 m de espessura.
Área na cota de coroamento: 442 m².
Volume na cota de coroamento: 5.659 m³.
No ano de 2005 foram executados estudos para avaliar as condições de segurança da barragem, sendo que estes concluíram a necessidade do terceiro alteamento. A terceira fase do alteamento da Barragem Palmital encerrou no ano de 2009 e após este processo, a estrutura apresenta as seguintes características:
Cota de coroamento: 875 m – seção tipo crista.
Largura da crista: 6 m.
Comprimento na cota de coroamento: 960 m.
Cota do Talvegue: 770 m.
Filtros de Transição: Manta Geotêxtil.
Área na Cota de Coroamento: 528 m².
Volume na Cota de Coroamento: 10.540 m³.
A Figura 47 apresenta a ilustração gráfica do perfil do maciço da barragem e suas respectivas cotas de coroamento em cada fase do projeto, observar o método de alteamento à jusante.
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Figura 46 – Seções Típicas Esquematizadas Observar o deslocamento do centro da barragem diante da evolução do processo. Fonte: BIDIM (2007).
No projeto da 3ª fase do alteamento da barragem foi determinada, basicamente, a realização das seguintes melhorias:
Alteamento da barragem principal da cota de crista em 850 m para 875 m, utilizando os mesmos materiais que já constituíam a estrutura;
Execução de uma barragem auxiliar em uma área de talvegue do reservatório à montante do reservatório, com a cota de crista em 875 m. Suas características sendo as mesmas da barragem principal;
Construção de estrutura vertedoura emergencial na ombreira esquerda da barragem principal, com o objetivo de verter as águas da saia 34 da barragem, evitando qualquer possibilidade de extravasamento, e anulação da galeria de drenagem que estava efetuando esta função.
34
Saia: A barragem tem forma trapezoidal e a saia corresponde à base maior (inferior) do trapézio, cuja largura depende da altura, da largura do coroamento e da inclinação dos taludes. Quanto maior os dois primeiros e mais inclinados os taludes mais largo será a saia (SILVA,2011).
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5.2.1. Maciço da Barragem O projeto de constituição do maciço da barragem baseia-se fundamentalmente em um núcleo em material silte-argiloso compactado, produto de alteração do filito. Filtros de transição compostos de areia em graduação variável por camadas para impermeabilizar o núcleo e estabilizar a estrutura evitando o piping ou carreamento das partículas. E, por fim, a execução dos paramentos à montante e à jusante com a utilização de enrocamentos. Na Figura 48 apresentam-se o perfil da barragem principal e a composição de sua estrutura, com o núcleo composto em material argiloso impermeável, os filtros executados em areia e brita de granulometria diversificada e os paramentos em enrocamento.
Figura 47 – Seção Típica do Projeto Inicial da Barragem Observar que os filtros eram sobreposições de camadas com material de granulometria gradativa .
Uma observação importante está na execução dos filtros. Inicialmente o projeto previa a execução dos filtros em areia e brita (granulometria variada), porém surgiu a impossibilidade de exploração do material necessário na região das obras, isto ocasionou uma mudança no projeto inicial determinando que os filtros fossem constituídos de manta geotêxtil, como mostra a Figura 49.
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Figura 48 – Seção Esquemática da opção adotada durante a execução do alteamento: Os filtros de drenagem são deslocados para jusante, pois no alteamento o centro da barragem se desloca no processo . Fonte: BIDIM (2007).
A opção pela manta foi realizada apenas na barragem principal, a barragem auxiliar (necessitava de um volume menor de material) manteve as condições iniciais de projeto, com a utilização do filtro em areia e brita com 0,80 m de espessura.
5.2.2. Vertedouro Durante a fase de funcionamento da barragem após a execução das duas primeiras etapas de alteamento a estrutura não possuía estrutura vertedoura emergencial, apenas a galeria de drenagem sob o reservatório fazia esta função desde 2003. O projeto do vertedouro foi determinado para sua construção na 3ª fase do alteamento. Seu projeto determinou a instalação do sistema na ombreira esquerda da barragem principal, pois no local havia um talvegue natural, permitindo a vertente das águas, longe da saia da barragem.
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As principais características do vertedor são as seguintes: Localização Tipo
Ombreira Esquerda Soleira Livre
Largura
3m
Cota da Soleira
856 m
Vazão de Projeto
1 m³/s.
Carga Máxima de Projeto
0,3 m
NA. máximo maximorum no reservatório
856 m
5.4. Métodos Construtivos Durante a avaliação da viabilidade do projeto foi realizado um levantamento das áreas disponíveis para exploração como empréstimo dos materiais necessários na composição estrutural do maciço, tanto da barragem auxiliar quanto da principal, além dos materiais necessários à composição dos filtros. A partir destes resultados definiu-se o cronograma e o plano de exploração que foi a peça chave para inicio das atividades construtivas na barragem em si. A terceira fase do processo de alteamento da Barragem Palmital foi composta pela execução das seguintes atividades:
Remoção de Filtros e Transições;
Instalação de Filtros e Transições;
Instalação de Manta Geotêxtil;
Execução do Vertedouro;
Alteamento da Barragem Principal;
Execução da Barragem Auxiliar.
5.4.3. Remoção de filtros de transição Precedendo aos serviços de alteamento da barragem, foi realizada a remoção das transições, correspondente à remoção dos materiais que não permitem uma perfeita aderência entre os materiais a serem lançados no aterro da barragem.
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Para a realização deste serviço, foram utilizadas escavadeiras hidráulicas, o material escavado foi removido para área de bota-fora credenciado utilizando caminhões basculantes.
5.4.4. Instalação dos filtros de transição O núcleo da Barragem Palmital, composto de material argiloso, solicita uma preocupação especial quanto a sua estabilização no que se refere à pressão que a água provoca no solo, caso contrário, pode ocorrer o piping ou carreamento da estrutura. Nesta conjuntura torna-se necessário a instalação de filtros de transição entre as camadas de alteamento. Os filtros para a barragem auxiliar foram projetados em três camadas de agregados com suas respectivas curva granulométrica. O processo executivo das camadas consiste no lançamento gradual deste material que é compactado em sequência, com a utilização de compactadores manuais e/ou rolo compactador vibratório.
5.4.5. Instalação de manta geotêxtil Para a execução dos filtros de transição da Barragem Principal foi utilizada a manta geotêxtil como material filtrante, uma vez que se tornou inviável a exploração de jazidas locais para a utilização dos materiais previstos em projeto (transição granulométrica). O procedimento de instalação de manta geotêxtil iniciou-se com o preparo da área a ser instalado material, realizando a limpeza do local e removendo qualquer corpo estranho existente. Após este procedimento, estiraram-se os rolos de manta geotêxtil no pico da inclinação do talude a ser coberto, (uma margem excedente de material foi deixada como “sobra” para que
posteriormente fosse realizada a ancoragem do material no pico do talude).
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Por toda a superfície a ser forrada com a manta geotêxtil, aplicou-se cola adesiva à base de PVC para garantir a aderência do material e, por fim, a manta foi desenrolada e esticada sobre a superfície do terreno. Para integrar os painéis adjacentes uns aos outros, estes são costurados manualmente. Uma vez terminado este processo, foi realizada a ancoragem do geotêxtil na crista da barragem em vala previamente aberta. Por cima da manta lança-se a brita 2 como término do filtro de transição. Este procedimento foi realizado à jusante e à montante da barragem. As Figuras 50 a 51 apresentam o procedimento de instalação da manta geotêxtil na barragem principal de palmital.
Figura 49 – Colocação e fixação da Manta Geotêxtil
Figura 50 – Fixação da manta superior com pedras e a
sobre o perfil do filtro
inferior virada sobre o material granular do filtro de
Fonte: BIDIM (2007)
transição. Ao fundo a sobreposição com a costura manual Fonte: BIDIM (2007).
5.4.6. Execução do vertedouro O vertedouro instalado para controle do nível do reservatório da Barragem Palmital foi constituído em uma estrutura em concreto armado. Seu processo construtivo desenvolve-se sobre as seguintes etapas:
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Escavações destinadas ao desvio do canal de cintura, canal de aproximação e Vertedouro, sendo utilizada escavadeira hidráulica operando no sentido de jusante para montante;
Execução de aterro compactado em parte do canal de cintura, base e laterais do Vertedouro;
Execução de regularização de base de estrutura em concreto magro;
Forma, armação e concretagem da laje de fundo do trecho do Vertedouro em galeria;
Forma, armação e concretagem das paredes do trecho do Vertedouro em galeria e da laje de fundo do trecho em canal;
Forma, armação, e concretagem da laje superior do trecho do Vertedouro em galeria e das paredes de trecho em canal;
Execução do enrocamento de proteção com pedras de mão na saída do Vertedouro.
5.4.7. Alteamento da Barragem Principal O procedimento de alteamento iniciou-se com o tratamento dado à fundação existente da barragem, para que esta possa suportar a nova carga de material com o aumento de volume e adaptar-se ao deslocamento do eixo central que desloca o centro gravitacional do maciço. Este tratamento consiste na escavação de uma vala ( cut-off ) até atingir o material rochoso sobre o qual estão assentadas as fundações originais, nesta vala foram lançados enrocamentos para reforço estrutural do alteamento. O processo de lançamento do enrocamento, tanto no alteamento como no reforço, iniciou-se com o descarregamento dos blocos (matacões) diretamente sobre a área de aplicação da barragem, com o auxilio de um caminhão basculante. Após o enchimento da margem, o caminhão descarrega o material ao lado da cava para que um trator de esteira despeje-o sobre este vão. Sobre o enrocamento assentado é lançada bica corrida para dar acesso ao caminhão e assim dá-se continuidade ao ciclo deste processo. Repete-se a operação até atingir a cota desejada.
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Durante o alteamento foi necessário realizar o arranque deslocado do filtro de transição, o que consiste no processo de redirecionar o filtro já existente ao que foi executado ao mesmo tempo do processo de alteamento. Ao atingir a crista da barragem existente, realiza-se o aterro compactado com solo local para aumentar o volume do maciço e a partir deste ponto continuar com o alteamento com material de enrocamento. A Figura 52 apresenta uma ilustração do processo descrito. É possível observar o deslocamento dos filtros para jusante da estrutura. O aterro compactado executado na crista da barragem utilizou material argiloso proveniente de áreas de empréstimos regularizadas. O material a lançar será espalhado em camadas horizontais, sucessivas, em toda área da praça de trabalho, na espessura especificada por meio dos próprios caminhões basculantes, auxiliados por motoniveladoras, ou descarregado pelos caminhões basculantes em pilhas que serão posteriormente espalhadas com motoniveladoras. Os operadores dos equipamentos que serão utilizados para espalhamento e acerto das camadas serão instruídos para que, ao circularem no aterro não sigam os rastros de passadas anteriores, evitando-se desta forma, a ocorrência de compactação isolada devido ao peso das máquinas. A compactação das camadas foi realizada por meio de rolo compactador de maneira uniforme. A compactação de cada camada somente é concluída quando a densidade do solo atingir a densidade aparente máxima de laboratório, atendendo-se as especificações de projeto. Durante todo este procedimento é realizado o controle de umidade do material lançado, para garantir os limites especificados e garantir a densidade requerida.
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Figura 51 – Processo de Alteamento da Barragem Principal - (Montante à Esquerda)
5.4.9. Execução da Barragem Auxiliar A Barragem auxiliar iniciou-se com o alargamento do paramento à montante a partir do terreno natural. Este alargamento foi realizado a função do reforço estrutural para que a estrutura existente suporte o maciço de enrocamento que foi construído à jusante. O método do lançamento do enrocamento foi desenvolvido da mesma maneira em que na barragem principal, quanto ao alargamento, este seguiu processo de lançamento e compactação de material da própria região. Os filtros foram executados ao mesmo tempo do alargamento, neste caso, eles não precisaram ser deslocados, pois o dique foi construído em uma única fase, não houveram alteamentos futuros. A Figura 53 apresenta a ilustração dos procedimentos tomados para a construção da barragem auxiliar. O “maciço existente” refere-se ao aproveitamento das condições naturais do terreno onde a estrutura foi construída, (uma depressão natural do solo).
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É possível observar que o processo de alteamento de ambas as barragens seguiram o método à jusante, (estruturalmente mais seguro do que o método à montante e o de linha de centro). O alargamento do paramento à montante trata-se de um procedimento construtivo no qual é realizada a escavação localizada até se atingir o solo ao qual foi apoiada a fundação da barragem, (material rochoso). Nesta vala aberta é realizado o processo de compactação do solo. Após a compactação é lançado e compactado o enrocamento, seguindo os mesmos métodos utilizados para o alteamento da barragem.
Figura 52 – Execução da Barragem Auxiliar.
5.5. Controle Tecnológico Os marcos implantados na barragem foram removidos para a execução do alteamento. Após a conclusão das obras um novo sistema de marcos topográfico foi implantado para verificar quaisquer ocorrências de recalques diferenciais. Foi implantado um sistema de piezômetros ao longo do maciço alteado concomitantemente à elevação da barragem até conformação final desta, utilizado como marco onde se verificava:
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Aumento da vazão de percolação;
Índices de elevação do nível d’água de montante e jusante;
Aumento da permeabilidade a montante do piezômetro;
Redução da permeabilidade a jusante do piezômetro.
Apesar de todo controle tecnológico dos materiais envolvidos no alteamento, ou seja, dos rejeitos do processo de beneficiamento, teve-se especial cuidado no projeto e manutenção da estrutura de drenagem para a garantia de poropressões baixas no corpo da barragem.
5.6. Monitoramento Geotécnico O programa de monitoramento geotécnico consistia na instalação de instrumentos para acompanhar:
Pressões e recalques de galerias de fundo;
Vazão dos drenos de fundação;
Nível d’água do reservatório;
A análise conjunta dos dados de monitoramento relativos às medições dos níveis de água no interior do maciço e das deformações permitia a avaliação do desempenho da barragem e sua segurança global. O objetivo principal deste controle foi à verificação da eficiência dos dispositivos de drenagem interna, com o acompanhamento da posição da linha freática e aferição do desempenho geotécnico da barragem. Desde a construção da Barragem de Palmital ocorreram inspeções diárias de manutenção e reparos, tais como recomposição de pequenas erosões no talude, manutenção da proteção vegetal, eliminação de arbustos no maciço da barragem, limpeza dos canais de cintura e do bueiro sob a estrada de ferro.
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Em 1995, foi implantado um sistema de marcos topográficos para verificar quaisquer ocorrências de recalques diferenciais. Esse sistema é constituído de quatro marcos ao longo do coroamento, localizados fora da pista, e de três marcos na banqueta de jusante, no trecho em solo compactado próximo ao enrocamento. O monitoramento desses marcos é feito semestralmente, com indicação de movimentos horizontais e/ou verticais. Durante os anos que prosseguiram a utilização da barragem antes da realização da 3ª fase de alteamento (1995 a 2005), não foi registrado nenhum movimento anormal no maciço da barragem. Para complementar o monitoramento da Barragem Palmital foi instalado em 2005 u m sistema de piezômetros ao longo do maciço. Esse sistema é constituído de três piezômetros localizados no coroamento e dois piezômetros na banqueta de jusante, no trecho em solo compactado próximo ao enrocamento e placas de recalque. Os projetos de instrumentação desenvolvidos e implantados sempre se ativeram à medição de recalques e descolamentos e dos níveis de água no interior do maciço. Foram instalados nos furos de sondagem, piezômetros do tipo Casagrande para monitoramento das pressões neutras, no interior do maciço da barragem. Esse piezômetro também conhecido como piezômetro de tubo aberto trata-se do aperfeiçoamento do medidor de nível d’água, onde o modelo construído por Casagrande é o mais conhecido e utilizado.
Acima do ponto de medição preencheu-se o espaço entre o tubo e a parede do furo com bentonita até a boca do furo para que o piezômetro operasse hidraulicamente isolado (barreira vertical). As placas de recalque foram utilizadas para o monitoramento dos deslocamentos verticais, assim como os piezômetros que foram instalados para auxiliar na análise dos recalques. A frequência de leitura para cada fase foi:
Fase de instalação: durante pelo menos duas semanas após a instalação foram efetuadas leituras semanais até a estabilização;
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Fase de enchimento: duas leituras semanais;
Fase de operação: uma leitura semanal.
Os dados da instrumentação instalada auxiliaram no andamento e cumprimento do cronograma da obra, direcionando a tomada de decisões para liberação das camadas de aterro, sem comprometer a estabilidade do mesmo. O monitoramento limitou-se à leitura e interpretação dos níveis piezométricos, o foco principal deste controle era verificar a eficiência dos sistemas de drenagem interna, com o acompanhamento da linha freática.
5.6.1. Instalação de piezômetros Casagrande Para o monitoramento das pressões neutras na Barragem Palmital, o sistema de controle geotécnico proveu-se do piezômetro tipo Casagrande que é constituído por um tubo de PVC rígido com uma seção filtrante na extremidade mais profunda do tubo. Para a instalação deste dispositivo, realizaram-se furos de sondagem e no interior destes furos, foi introduzido o tubo de PVC, vedado na extremidade inferior com um cap de PVC soldável. A seção filtrante é obtida pela perfuração de 4 linhas de furos com 2 mm de diâmetro espaçados de 20mm, na extremidade inferior do tubo. Esta seção é envolvida com duas camadas de manta geotêxtil. O espaço anelar entre o tubo e a parede do furo é preenchido, a partir da extremidade inferior, com areia média, bentonita e argamassa em toda a seção filtrante até a superfície. A Figura 54 a seguir mostra detalhes de instalação do piezômetro Casagrande. Após a conclusão do aterro protege-se a extremidade superior do tubo com uma caixa de proteção, assente sobre concreto magro, conforme mostrado na Figura 55.
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Figura 53 – Detalhe da instalação do Piezômetro Casagrande
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Figura 54 – Detalhe da caixa de proteção
6.5.2. Reinstalação dos marcos de observação Os marcos de observação são estruturas instaladas envolta da barragem e tem a função de servir como ponto de referência para marcar o posicionamento por monitoramento via GPS. A intenção é de medir qualquer deslocamento horizontal da estrutura construída. A reinstalação dos marcos de observação mantiveram as mesmas posições de coordenadas iniciais, apenas com algumas alterações de cota, diante do alteamento. Ao fim, foram reinstalados 11 marcos de observação distribuídos por toda a barragem.
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6. ANÁLISE DOS RESULTADOS A Barragem Palmital foi uma estrutura construída para a contenção de sedimentos dos rejeitos gerados pelas operações de industrialização da bauxita. Seus estudos determinaram na concepção de uma estrutura desenvolvida em 3 fases construtivas, das quais as duas primeiras foram realizadas simultaneamente e, após 15 anos de utilização do reservatório, o processo de 3ª fase de alteamento se iniciou. A estrutura final da barragem, após a 3ª fase construtiva, definiu o reservatório com um volume de aproximadamente 8 mil metros cúbicos em seu NA máximo operacional. A decisão da construção de uma estrutura com estas características envolve a concepção de diversas conjecturas, dentre elas, a definição do tipo de descarte que será objetivado para aquele tipo de rejeito gerado (a granel ou em poupa) e a disposição destes no meio, (minas, pilhas ou barragens). A escolha pela estruturação de uma barragem de rejeito vem dos benefícios aos custos gerados futuramente, uma vez que seu alteamento pode ser realizado pelo próprio rejeito e de que o impacto ambiental gerado, por muitas décadas, estará concentrado apenas em uma única área, o local onde foi construída a estrutura. No caso da Barragem Palmital os benefícios gerados pela utilização do próprio rejeito foi uma opção descartada, uma vez que a barragem foi executada em enrocamento, mas ainda assim, a avaliação das condições locais apresentou a escolha da estrutura como a melhor opção de descarte do material. Primeiramente pelas condições físicas do rejeito (não sólido) e as condições geológicas locais. O impacto ambiental gerado por qualquer construção também é de extrema importância, e neste âmbito, podemos avaliar as vantagens da concepção da barragem, como:
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A definição do local de descarte do rejeito sofre um impacto negativo, mas a barragem é uma estrutura conceituada em uma expectativa de utilização para 50 anos ou mais, fato que torna o impacto ambiental pontual e não em grande escala dispersa, como é o caso do transporte de rejeitos.
A estrutura do reservatório é impermeável e sem comunicação com o fluxo fluvial da região, isto garante que não haja qualquer possibilidade de contaminação do rejeito ao meio ao qual este está envolto;
Na área de implantação da estrutura, haviam antigas pedreiras desativadas da companhia proprietária da barragem. Para a realização da construção, optou-se pela exploração de material destas pedreiras, isto não apenas reduziu custos, como também garantiu a não exploração de áreas virgens, permitindo a preservação ambiental;
Outras definições positivas obtidas desta escolha estão no monitoramento e segurança garantidos por uma estrutura do porte de uma barragem. Desde os estudos de concepção e projeto são realizados ensaios geotécnicos, controle tecnológico, avaliação dos parâmetros de segurança, considerações de dimensionamento, para a garantia da estrutura do sistema, e concepção dos métodos construtivos. Todas estas ponderações estabelecem alta confiança para a aprovação do projeto e execução do mesmo. Como resultado final temos uma obra com todos os controles construtivos, geológicos e tecnológicos necessários para garantir a sua integridade e segurança.
6.1. Análises Construtivas Do ponto de vista dos métodos construtivos aplicados para a execução do terceiro alteamento na Barragem Palmital, todos os procedimentos utilizados respeitaram as condições propostas. Nos estudos de avaliação das condições de segurança da estrutura, foi observado que as galerias de drenagem estavam sendo usadas como estruturas vertedouras emergenciais. Diante destas condições, foi desenvolvido um projeto para a construção do vertedouro na ombreira
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esquerda da barragem principal. Esta escolha foi extremamente perspicaz, uma vez que na ombreira esquerda era possível observar uma pequena depressão da geologia local. Posicionar o vertedouro nesta localização permitiu a redução nos custos relacionados às escavações necessárias para a implantação do sistema. Além disto, a localização do vertedouro permitiu a projeção natural do fluxo para o seu canal, consentindo a remoção das águas da saia da barragem. No ano de 2005 foi verificado que o nível de água do reservatório estava gradativamente alcançando a cota de um talvegue localizado à montante deste reservatório. A avaliação definiu que a melhor opção era a construção de uma barragem auxiliar nesta depressão, garantindo a contenção do reservatório e o lançamento do excessivo de água que se localizava nesta declividade para a estrutura vertedoura. A escolha pela construção de mais uma barragem encareceu consideravelmente o empreendimento, mas é fato que esta solução veio da necessidade de garantir a total segurança do reservatório para os próximos anos em que este será utilizado. Porém, avaliando-se os custos, aproveitar as condições topográficas do local auxiliou na composição do núcleo desta estrutura auxiliar (que se utilizou do solo e das condições existentes), apenas necessitando de um alargamento do paramento à montante para garantir a estabilidade estrutural do maciço quando fossem lançados os enrocamentos. Na barragem principal, antes do processo de alteamento e acréscimo do maciço, foi realizada a melhoria da fundação, para auxiliar no suporte da nova carga e, principalmente, para o encaixe da nova estrutura de enrocamento. Esta se elevou apoiada sobre o paramento inclinado do talude à jusante no maciço existente. O processo de reforço seguiu os procedimentos esperados, tanto no que diz respeito às escavações que foram realizadas até o nível das antigas fundações, quanto na altura deste reforço, que se seguiu até o nível de talvegue da barragem. O acesso à crista foi removido e as barreiras New Jersey foram destruídas durante a construção. Após o término do alteamento o acesso e as barreiras foram reconstruídos.
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Do ponto de vista cronológico a execução de ambas as estrutura (barragem auxiliar e barragem principal) foram executadas simultaneamente, isto reduziu o prazo da obra ainda que tenha aumentado o número de equipes. A escolha pelo método de alteamento à jusante garantiu maior controle sobre a construção. Ainda que não seja a opção mais barata ou eficiente, é a opção mais segura e aumenta o volume do reservatório, aumentando o tempo de vida da barragem. O método à jusante desloca a crista da barragem e sua linha central, necessitando assim de providencias construtivas como o deslocamento dos filtros e a remoção de transições. A garantia de uma maior segurança e qualidade sobre o controle dos materiais da barragem foi espelhada também no que diz respeito à opção da utilização de enrocamentos ao invés do tratamento dos rejeitos gerados. Em uma obra com as características da Barragem Palmital, é natural que durante o seu processo construtivos sejam avaliadas melhores opções de desenvolvimento da obra, em vista do que foi planejado inicialmente. Um exemplo desta situação ocorreu no material utilizado para os filtros e transições. A opção final pela utilização da manta geotêxtil, reduziu o cronograma de atividades para este serviço, além de reduzir também o sobrepeso na estrutura, que receberia inicialmente três camadas de brita com variação gradativa da granulometria, e por fim, utilizou-se uma camada de brita drenante e a manta geotêxtil.
6.2. Controle Tecnológico O controle tecnológico foi fundamental para a segurança, operação e procedimentos de emergência, todo o processo envolveu levantamento histórico dos projetos, investigações geotécnicas de campo, registros de monitoramento e ensaios de laboratórios.
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De acordo com os dados obtidos nos ensaios permitiu-se avaliar de forma satisfatória o comportamento geotécnico atual e futuro da barragem e permitiu afirmar a segurança do alteamento. Comprovou-se a existência de um solo do tipo silte argiloso com características compressíveis e pouca plástica com fragmentos de rocha alterada e pedregulhos e as seguintes propriedades:
Boa trabalhabilidade como material de construção;
Semipermeável quando compactado;
Resistência compactada e saturada regular;
Compressibilidade compactada e saturada média;
Característica de drenagem regular;
Coloração marrom;
Porcentagem de argila: 16%
Porcentagem de silte: 58%
Porcentagem de areia: 24% (fina) e 2% (média)
Massa específica dos grãos: 1,74 g/cm³
6.3. Leitura dos Instrumentos Geotécnicos A instrumentação geotécnica procurou ser simples e uniforme, utilizou-se dos piezômetros do tipo Casagrande, pela facilidade de uso pelas equipes de campo, agilidade no processo de campo e coleta de informações, aumento da qualidade das informações, baixo índice de erros, redução de custos pela minimização dos erros. O controle da instrumentação priorizou a observação das subpressões e as vazões de percolação por meio dos piezômetros, já que esses instrumentos foram escolhidos pela facilidade de instalação e interpretação, e um dos mais indicados para segurança das estruturas. O posicionamento da linha freática foi fundamental para os estudos geotécnicos da barragem, permitiram a observação dos níveis piezométricos no contato maciço/fundação, que serviu base para o projeto de alteamento da barragem.
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Não foram apresentadas anormalidades na instrumentação instalada na Barragem Palmital, isentando qualquer dúvida referente a segurança e operação.
6.3.1. Parâmetros Geotécnicos Constatou em análise dos blocos indeformados de solo retirados dos poços de inspeção que eram compostos por silte pouco argiloso com muitos torrões centimétricos e decimétricos de alteração de rocha. Os resultados dos ensaios de caracterização e de compactação com energia Proctor Normal forneceram as características geotécnicas para os solos compactados do maciço da barragem: Granulometria, limite de liquidez, índice de plasticidade, peso específico seco máximo, umidade ótima e permeabilidade, fundamentais para a correlação destes aos parâmetros de resistência ao cisalhamento dos solos. Nos ensaios triaxiais CUsat com medição de pressões neutras, forneceram os valores dos parâmetros de resistência ao cisalhamento do aterro compactado existente, a partir de ensaios em amostras indeformadas. Os valores de resistência ao cisalhamento adotados nas análises, com base nos resultados dos ensaios triaxiais Cusat em amostras interformadas do núcleo argiloso da barragem existente:
Coesão efetiva = 3,0 tf/m²
Ângulo de atrito efetivo= 29 graus
E de amostras deformadas das áreas de empréstimos exploradas foram:
Coesão efetiva= 5,0 tf/m²
Ângulo de atrito efetivo= 29 graus
Nas análises o peso específico natural do aterro foi considerado igual a 1,90 tf/m³.
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Por meio da análise dos dados das sondagens a percussão conseguiu-se classificar o solo da região da Barragem Palmital em três zonas de estudo, silte pouco argiloso com pedregulhos, silte arenoso e silte argiloso com fragmentos de rocha e a determinação da consistência ou compacidade de cada uma delas. Verificou-se a predominância de solo silto-argiloso com fragmentos de rocha alterada de consistência dura a muito dura e a inexistência de nível d’água.
As sondagens, para a avaliação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento do aterro siltoargiloso compactado indicaram encontrar-se a consistência do aterro tido como média a rija até a profundidade de cerca de 15 metros e muito rija a dura para profundidades superiores a 15 metros, atingindo a consistência de muita dura para profundidades acima de 25 metros. As sondagens a percussão complementares apresentaram duas zonas de estudo uma composta por argila siltosa com pedregulhos e outra silto argilosa com fragmentos de rocha alterada. Verificou-se a predominância novamente de solo silto argiloso com fragmentos de rocha, mas com consistência de dura a muito dura para profundidades acima de 10 metros e inexistência de nível d’água.
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7. CONCLUSÕES A Barragem Palmital é uma estrutura com núcleo de argila e sua camada de proteção constitui-se de enrocamento. A definição desta característica física, veio da disponibilidade de exploração de pedreiras na região das obras e também do favorecimento da geologia local à implantação deste tipo de barragem. É possível concluir que a opção pelo alteamento com enrocamentos, e não por rejeitos, foi realizada para a garantia da segurança e integridade da estrutura. Os estudos permitem observar que no intervalo decorrido das duas primeiras fases do alteamento e a terceira etapa, incidiram alguns desvios do planejamento e dos projetos que emergiram na necessidade de garantir com maior veemência a integridade, segurança e qualidade do funcionamento da estrutura. O processo de alteamento da barragem foi desenvolvido pelo método à jusante, observa-se que a escolha deste procedimento veio da garantia de um maior controle tecnológico sobre o terreno a recepcionar o alteamento, assim como, a vantagem em aumentar o volume do reservatório não apenas na elevação, mas também na extensão. Esta escolha aponta para o fato de que o alteamento buscou a possibilidade máxima de exploração do reservatório, aumentando significativamente a expectativa de vida da estrutura, um fator de significável relevância em um projeto como este. Observa-se nos métodos construtivos necessários ao alteamento da barragem, que os mesmos não apresentaram grande complexidade, mas sim controle executivo no que diz respeito ao posicionamento dos piezômetros e dos marcos de observação, garantindo assim, um eficiente controle de pressões e a não movimentação da estrutura. E também, controle tecnológico para garantir as características necessárias aos enrocamentos e do solo que compõe núcleo da estrutura. Na constante preocupação com o não extravasamento pode-se observar que o projeto de alteamento, não apenas dimensionou-se um vertedouro emergencial, localizado na ombreira direita, como também se projetou a construção de uma barragem auxiliar em uma depressão do reservatório.
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Avalia-se então que as medidas de segurança, que englobaram a terceira fase de alteamento, enfatizaram de maneira mais relevante às precipitações da região, dimensionando uma nova estrutura para manter o controle do nível do reservatório, além de garantir que a topografia adjacente ao mesmo que realize a dispersão do maior volume possível destas precipitações para longe da barragem. Diante da localização do reservatório, região próxima a zonas residenciais, e a finalidade da Barragem Palmital, os estudos de impactos ambientais solicitaram extrema atenção. Para cumprir as condições requeridas a empresa proprietária apresentou melhorias no processo da terceira etapa de alteamento, buscando a redução dos impactos ambientais. Estas ações se incitaram com um projeto onde as águas do reservatório não seriam lançadas em cursos fluviais e a exploração de pedreiras já existentes na região. Estes fatores associados ao método de alteamento escolhido garantiram a aprovação do projeto no parâmetro ambiental.
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8. RECOMENDAÇÕES O conhecimento acadêmico sobre as mais diversas características que se agregam a uma estrutura de contenção, como uma barragem de rejeitos, apresenta-se como sendo de extrema importância em face ao desenvolvimento na sua utilização e o aprimoramento das técnicas desenvolvidas em construções com tais características no decorrer dos anos. A complexidade que envolve os estudos e projetos que viabilizam a construção de uma barragem difunde-se em todos os setores e especializações da engenharia. Fator este que abre a possibilidade de inúmeras pesquisas específicas a uma considerável variedade de assuntos que se objetivam a um único fim, a construção de uma barragem. Apresenta-se como sugestão para pesquisas futuras o desenvolvimento em estudos de caso relacionados a comparações e avaliações que permeiam a utilização do rejeito como material do alteamento de barragens. Quais os procedimentos tecnológicos, ensaios e controle de materiais são utilizados como determinantes para garantir a qualidade do rejeito no processo de alteamento. Partindo-se desta vertente, mas ampliando o foco de estudo, é possível avaliar as condições estruturais de uma barragem de rejeitos quanto as suas condições de segurança ao não extravasamento, galgamento ou entubamento do material confinado em prol do tratamento e procedimentos construtivos utilizados para garantir a estanqueidade e estabilidade do rejeito. A pesquisa não deve apenas focar no controle do material, mas também nas definições técnicas que levam a escolha do rejeito em face a possiblidade da utilização de outros materiais, assim como, a alternativa do método construtivo para o alteamento: à jusante, à montante e linha central em vista às características físicas e químicas do rejeito e o seu comportamento na estrutura.
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